Struktur- und Stoffanalytik mit spektroskopischen Methoden

In einer chemischen Verbindung bestimmen bekanntlich neben der Art und der Zahl der Atome deren Verknüpfung und räumliche Anordnung die makroskopischen Eigenschaften des Stoffes. Will man Stoffeigenschaften verstehen, muss dazu zunächst die Struktur der Verbindung aufgeklärt werden. Deshalb schließt sich in der Regel an die Synthese einer neuen chemischen Verbindung die Aufklärung bzw. Sicherung der vermuteten Struktur unmittelbar an.

Die UV/VIS-Molekülspektroskopie (oft als UVS-Spektroskopie bezeichnet) dient der Messung der Lichtabsorption unter Anregung von Elektronen. In Molekülen erfolgt im allgemeinen eine Anregung, ohne die Bindungen zu zerstören. Als Energiemaß der elektromagnetischen Strahlung verwendet man die Wellenlänge λ in nm. Den Spektralbereich der UV/VIS-Strahlung unterteilt man in: Bei Wellenlängen unterhalb 200 nm absorbieren Sauerstoff und Stickstoff der Luft UV-Strahlen. Um Messungen der Wechselwirkung zwischen Strahlung und Probe zu verfolgen, muss im Hochvakuum gearbeitet werden. Die Strahlung ist allerdings so energiereich, dass die Gefahr der Zerstörung von Bindungen in der Probe sehr groß ist. Es handelt sich um Strahlung, die z. B. mit Quecksilber- bzw. Xenonstrahlern oder mit Deuterium-Gasentladungslampen erzeugt wird. Als optisches Material ist Quarzglas erforderlich, da normales Glas unterhalb 300 nm UV-undurchlässig ist. Dies ist der Bereich des sichtbaren Lichts. Als optisches Material wird Glas verwendet. Stoffe, die sichtbares Licht absorbieren, sind farbig. Sie besitzen im durchgehendem Licht die Komplementärfarbe zur absorbierten Strahlung. Bei Totalreflexion dagegen entspricht der Farbeindruck der emittierten Strahlung

Der IR-Spektralbereich schließt sich mit steigender Wellenlänge an das Spektrum des sichtbaren Lichts an. Tabelle 3.1 gibt eine Übersicht über die Einteilung infraroter Strahlung nach Wellenlänge, Wellenzahl und Energie.

Bringt man Moleküle, die Wasserstoff enthalten, in ein Magnetfeld, so kann man unter bestimmten Voraussetzungen beobachten, dass die Kerne der Wasserstoffatome relativ langwellige sehr energiearme elektromagnetische Strahlung absorbieren. Die Frequenzen liegen im MHz-Bereich mit Energien unter 1 J·mol^-1. Ebenso wie die Protonen der Wasserstoffatome verhalten sich einige andere Atomkerne. Sie müssen ein magnetisches Moment aufweisen, welches auf den Eigendrehimpuls der Kernbausteine, den Kernspin, zurückzuführen ist.

In den bisher diskutierten spektroskopischen Methoden stand die Gewinnung von direkten Strukturinformationen im Vordergrund. Durch Bestimmung der Anregungsenergien für Bindungselektronen, fur Molekülschwingungen bzw. für die Resonanz des Kernspins konnten unmittelbare Schlussfolgerungen zu chemischen Bindungen, Bindungspartnern, aromatischem Charakter einer Substanz oder auch zu funktionellen Gruppen gezogen werden. Aufgabe der Massenspektrometrie ist es in erster Linie Atom- bzw. Molekülmassen zu bestimmen. Die Ableitung von Strukturaussagen ist nur begrenzt möglich und unterschiedlich groß für die verschiedenen massenspektrometrischen Methoden (s. 5.7 andere Ionisierungstechniken).

Im letzten Kapitel soll gezeigt werden, wie durch Verknüpfung der Informationen aus den Spektren der behandelten Methoden (UVS, IR, NMR, MS) Strukturaufklärung betrieben werden kann. Dabei muss nochmals ausdrücklich darauf hingewiesen werden, dass es eine Reihe weiterer physikalisch-chemischer Methoden gibt, die zur Strukturaufklärung herangezogen werden können (Röntgenbeugung, Elektronenspinresonanz, MÖßBAUER-Spektroskopie u.a.) und dass rein chemische Methoden nach wie vor ihre Daseinsberechtigung haben. Es kommt stets auf den konkreten Fall an (Stoffgruppe, Elemente, aus denen die Verbindung besteht etc.), welche Methoden anwendbar sind und am effektivsten zur Strukturaufklärung beitragen. Durch Einsatz der Rechentechnik werden viele Verbindungen inzwischen nur mittels einer Methode und Spektrenvergleich identifiziert und damit auch hinsichtlich ihrer Struktur aufgeklärt.