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Höchstauflösende Struktur organischer Moleküle

Durch EU-Finanzierung wurde die Entwicklung einer technologischen Neuerung und zwar die Verwendung der magnetischen Kernresonanz (NMR)-Technologie zur Ermittlung der Entfernung zwischen gekoppelten Wasserstoffkernen in festen organischen Molekülen gefördert.
Höchstauflösende Struktur organischer Moleküle
Die NMR-Spektroskopie ist ein leistungsstarkes Instrument zur Ableitung struktureller Informationen über ein Molekül oder ein Material, das auf der Art und Weise basiert, wie die Atomkerne sich in einem Magnetfeld verhalten. Obwohl die gängigen Anwendungen auf gelöste Stoffe ausgerichtet waren, wurde die Methode der Festkörper-NMR (SSNMR) rasch zum Mittel der Wahl, um die biologischen Systeme und pharmazeutischen Rezepturen zu untersuchen, die nicht lösliche organische Moleküle im festen Zustand enthalten.

Biologische Moleküle werden oft aus einem Kohlenstoffgerüst, einer Kette von Kohlenstoffatomen, an die Funktionsgruppen gebunden sind, gebildet, und es wurden verschiedene Methoden vorgeschlagen, um die Entfernung zwischen diesen Kohlenstoffatomen zu messen, um Informationen über ihre dreidimensionale (3D) Struktur zu erhalten und damit Einblicke in ihre biologische Funktion. Da sie jedoch auf den Nachweis eines NMR-aktiven Kohlenstoffisotops angewiesen sind, welches nur in äußerst geringer Menge vorhanden ist, sind sie üblicherweise zeit- und kostenintensiv. Das EU-finanzierte Projekt SSNMRMETHOD wurde konzipiert, um eine neuartige SSNMR-Methode zu entwickeln, die auf der Beobachtung von Wasserstoffkernen basiert, die am häufigsten in der Natur vorkommen.

Protonen sind magnetisch aktiv und in großer Menge vorhanden. Sie sind nur schwierig nachzuweisen, da sie über starke dipolare Kopplungen untereinander verfügen, die sehr große und ungeklärte Signale erzeugen. Im Projekt wurde das erste SSNMR-Verfahren entwickelt, das eine direkte Schätzung der internuklearen dipolaren Kopplung 1H-1H in einem monolithischen Aufbau ermöglicht, von der die Entfernungen abgleitet werden können. Die Besonderheit der Lösung liegt in einem innovativen Ansatz, der eine scharfe Kontrolle der Menge von dipolarer 1 H- 1 H Kopplung, die zu diesem Experiment beitrugen, liefert. Durch sorgfältige Auswahl der Versuchsbedingungen ermöglicht die neue SSNMR-Methode, Protonenspektra von festen organischen Stichproben mit guter Auflösung zu erhalten, aus denen die 1H-1H-Entfernungen für spezifische Nukleuspaare mit beeindruckender Genauigkeit erhalten werden können. Die Anwendung auf zwei Modellsysteme demonstrierte eine Auflösung, die um 10 – 50mal höher ist als die Auflösung, die derzeit mit anderen Verfahren zur Strukturanalyse von Festkörpern erreicht werden kann.

Die Ergebnisse von SSNMRMETHOD stellen einen wichtigen Technologiesprung für die quantitative Bestimmung der Struktur von Festkörpern unter Verwendung von Wasserstoffatomen dar. Man kann sie direkt zur Untersuchung von Medikamenten einsetzen, und sie eröffnet zum ersten Mal die Möglichkeit, das Wasserstoffbrückennetzwerk zu analysieren, welches häufig die supramolekulare Struktur organischer Feststoffe stabilisiert. Eine schnelle und kostengünstige hochauflösende Analyse organischer Moleküle wird zweifellos zu Entdeckungen und Innovationen auf Gebieten von der Biomedizin über die Energie bis hin zur Umwelt führen.

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