Chemische Struktur - Chemical structure
Eine chemische Strukturbestimmung umfasst die Angabe der Molekülgeometrie durch einen Chemiker und, falls möglich und erforderlich, der elektronischen Struktur des Zielmoleküls oder eines anderen Feststoffs. Die Molekülgeometrie bezieht sich auf die räumliche Anordnung von Atomen in einem Molekül und die chemischen Bindungen , die die Atome zusammenhalten, und kann mithilfe von Strukturformeln und durch Molekülmodelle dargestellt werden . Zu den vollständigen Beschreibungen der elektronischen Struktur gehört die Angabe der Besetzung der Molekülorbitale eines Moleküls . Die Strukturbestimmung kann auf eine Reihe von Zielen angewendet werden, von sehr einfachen Molekülen (z. B. zweiatomiger Sauerstoff oder Stickstoff ) bis zu sehr komplexen (z. B. Protein oder DNA ).
Hintergrund
Theorien der chemischen Struktur wurden erstmals ab etwa 1858 von August Kekulé , Archibald Scott Couper und Aleksandr Butlerov entwickelt. Diese Theorien besagten zunächst, dass chemische Verbindungen keine zufällige Ansammlung von Atomen und funktionellen Gruppen sind, sondern eine Bestimmte Ordnung, definiert durch die Wertigkeit der Atome , aus denen das Molekül besteht, wodurch die Moleküle eine dreidimensionale Struktur erhalten, die bestimmt oder gelöst werden kann.
In Bezug auf die chemische Struktur muss zwischen der reinen Konnektivität der Atome innerhalb eines Moleküls (chemische Konstitution), einer Beschreibung einer dreidimensionalen Anordnung ( molekulare Konfiguration , z. B. Informationen zur Chiralität ) und der genauen Bestimmung von Bindungslängen, -winkeln und -torsion unterschieden werden Winkel, dh eine vollständige Darstellung der (relativen) Atomkoordinaten.
Bei der Bestimmung der Strukturen chemischer Verbindungen wird im Allgemeinen zunächst und minimal das Muster und der Grad der Bindung zwischen allen Atomen im Molekül ermittelt. Wenn möglich, sucht man die dreidimensionalen Raumkoordinaten der Atome im Molekül (oder einem anderen Feststoff).
Die Methoden, mit denen man die Struktur eines Moleküls aufklären kann, umfassen:
- betrifft nur die Konnektivität der Atome: Spektroskopien wie Kernspinresonanz ( Protonen- und Kohlenstoff-13-NMR ), verschiedene Methoden der Massenspektrometrie (zur Ermittlung der Gesamtmolekularmasse sowie Fragmentmassen). Techniken wie Absorptionsspektroskopie und Schwingungsspektroskopie , infrarot und Raman stellt jeweils wichtige unterstützende Informationen über die Anzahl und adjacencies von Mehrfachbindungen, und über die Arten der funktionellen Gruppen (deren interne Bindung gibt Schwingungssignaturen); Weitere Inferenzstudien, die Einblicke in die beitragende elektronische Struktur von Molekülen geben, umfassen Cyclovoltammetrie und Röntgenphotoelektronenspektroskopie .
- Informationen über genaue metrische dreidimensionale Informationen können für Gase durch Gaselektronenbeugung und Mikrowellen- (Rotations-) Spektroskopie (und andere rotationsaufgelöste Spektroskopie) und für den kristallinen Festkörper durch Röntgenkristallographie oder Neutronenbeugung erhalten werden. Diese Technik kann dreidimensionale Modelle mit atomarer Auflösung erzeugen , typischerweise mit einer Genauigkeit von 0,001 Å für Entfernungen und 0,1 ° für Winkel (in ungewöhnlichen Fällen sogar besser).
Zusätzliche Informationsquellen sind: Wenn ein Molekül einen ungepaarten Elektronenspin in einer funktionellen Gruppe seiner Struktur aufweist, können auch ENDOR- und Elektronenspinresonanzspektroskope durchgeführt werden. Diese letzteren Techniken werden umso wichtiger, wenn die Moleküle Metallatome enthalten und wenn die für die Kristallographie erforderlichen Kristalle oder die für die NMR erforderlichen spezifischen Atomtypen für die Strukturbestimmung nicht verfügbar sind. Schließlich sind in einigen Fällen auch speziellere Methoden wie die Elektronenmikroskopie anwendbar.
Siehe auch
- Strukturchemie
- Chemisches Strukturdiagramm
- Kristallographische Datenbank
- Pauli-Ausschlussprinzip
- Chemischer Graphgenerator
Verweise
Weiterführende Literatur
- Gallagher, Warren (2006). Vorlesung 7: Strukturbestimmung mittels Röntgenkristallographie (PDF) . Chem 406: Biophysical Chemistry (selbstveröffentlichte Kursnotizen). Eau Claire, WI, USA: Universität Wisconsin-Eau Claire, Department of Chemistry . Abgerufen am 2. Juli 2014 .
- Ward, SC; Lightfoot, MP; Bruno, IJ; Groom, CR (1. April 2016). Die Cambridge Structural Database . Acta Crystallographica Abschnitt B . 72 . S. 171–179. doi : 10.1107 / S2052520616003954 . ISSN 2052-5206 . PMC 4822653 . PMID 27048719 .