/ Erfolgsgeschichten
3D-Struktur dank Elektronenbeugung: Kooperation mit ELDICO Scientific ermöglicht Strukturaufklärung winziger Kristalle
Valeriia Hutskalova aus dem Team von Prof. Dr. Christof Sparr vom Departement Chemie der Universität Basel hat im Rahmen ihrer Doktorarbeit die aromatische Ringöffnungs-Metathese entwickelt und damit ganz neue chemische Verbindungen synthetisiert. (Bild: Departement Chemie, Universität Basel)
Forschende aus Basel konnten mittels Elektronenbeugung in sehr kleinen Kristallnadeln die dreidimensionale Struktur einer Verbindung aufklären, welche die Gruppe von Prof. Dr. Christof Sparr durch eine besondere chemische Synthese hergestellt hatte. Das Team nutzte dabei den Zugang zum Experience Center für Elektronendiffraktometrie im Switzerland Innovation Park Basel Area, den das SNI seinen Mitgliedern bietet.
In der modernen chemischen Forschung ist die Bestimmung der dreidimensionalen Konfiguration neuartiger Moleküle essenziell. Die Röntgenstrukturanalyse von Einzelkristallen hat sich dabei als Methode der Wahl etabliert. Sind die Kristalle allerdings zu klein, nicht rein genug oder in zu geringen Mengen vorhanden, führen röntgenstrukturanalytische Analysen nicht immer zu den gewünschten Ergebnissen. Die 3D-Elektronenbeugung kann in diesen Fällen weiterhelfen – wie ein interdisziplinäres Team in einem Nano-Argovia-Projekt vor einigen Jahren nachweisen konnte.
Ausgereifte Methode
Damals nutzten die Forschenden ein Elektronenmikroskop für ihre Messungen. Inzwischen steht dank der Gründung des Startups ELDICO Scientific im Jahr 2019 und der kontinuierlichen Entwicklung eines spezialisierten 3D-Elektronenbeugungsmessgeräts (3D-Elektronendiffraktometer) nun eine ausgereifte Methode zur Verfügung. Sie basiert darauf, dass Elektronen eines gebündelten Elektronenstrahls durch das Kristallgitter des zu untersuchenden Materials abgelenkt werden und daraus ein charakteristisches Beugungsmuster entsteht. Dieses nutzt dann eine spezielle Software, um die Anordnungen und Abstände der Atome im Kristallgitter zu berechnen und damit zu einem dreidimensionalen Strukturmodell des untersuchten Moleküls zu führen.
Dank der Mitgliedschaft des SNI im Konsortium des Experience Centers für Elektronendiffraktometrie im Switzerland Innovation Park Basel Area, das von ELDICO Scientific initiiert wurde, haben auch SNI-Mitglieder Zugang zu der innovativen Technologie – und damit zur Strukturanalyse ganz unterschiedlicher chemischer Verbindungen.
Erfolg erst durch Elektronenbeugung
Valeriia Hutskalova aus dem Team von Prof. Dr. Christof Sparr vom Departement Chemie der Universität Basel hat von diesem Angebot Gebrauch gemacht. Sie arbeitete im Rahmen ihrer Doktorarbeit an der Entwicklung neuartiger Synthesemethoden um aromatische Ringe katalytisch aufzubrechen.
Dazu entwickelte sie die sogenannte aromatische Ringöffnungs-Metathese. Dabei wird ein sehr stabiler aromatischer Ring aufgebrochen und in interessante neue Verbindungen umgewandelt. Bei der Reaktion greift ein metallbasierter Katalysator den aromatischen Ring an um ein Zwischenprodukt zu bilden, das wiederum zur Ausbildung neuer aromatischer Verbindungen führt. Die Strukturen der auf diese Weise neu synthetisierten Verbindungen liessen sich aufgrund der geringen Kristallgrösse von weniger als 1 μm jedoch nicht alle mittels Röntgenstrukturanalyse analysieren – weshalb die Kristallographen Dr. Alessandro Prescimone (Universität Basel) und Dr. Christian Jandl (ELDICO Scientific) die Elektronendiffraktometrie in Betracht zogen.
«Die Probenvorbereitung für die Analyse war einfach», beschreibt Valeriia Hutskalova. «Die Kristallographen haben ein Pulver aus Kristallnadeln auf ein Transmissionselektronenmikroskop-Gitter aufgebracht und mit dem Elektronendiffraktometer ELDICO ED-1 vermessen.» Die Analyse der Beugungsdaten und verschiedene Verfeinerungen haben dann ermöglicht, die dreidimensionale Struktur (einschliesslich Absolutstruktur) der Moleküle eindeutig aufzuklären – wobei statistische Berechnungen die Zuverlässigkeit der Ergebnisse bestätigten.
Diese Arbeiten haben die Leistungsfähigkeit der Elektronendiffraktometrie als Alternative zur Einzelkristallröntgenanalyse bei sehr kleinen Kristallen für die 3D- Strukturaufklärung einer neuen Substanzgruppe belegt. «Wir gehen davon aus, dass die Elektronendiffraktometrie weiter ausgebaut wird und sie künftig eine immer zentralere Rolle bei der Strukturanalyse in der organischen Chemie spielen wird», fasst Christof Sparr zusammen.
Weitere Informationen:
Forschungsgruppe C. Sparr, Universität Basel