Chemische Struktur

Begriff und Bedeutung

Die chemische Struktur beschreibt den Aufbau eines einheitlichen (homogenen) Stoffes auf molekularer oder ionischer Ebene. Sie gibt an, aus welchen Atomen, Atomgruppen, Ionen, Bindungen und freien Elektronenpaaren ein Stoff besteht und wie diese Bestandteile räumlich angeordnet sind. Damit enthält sie mehr Informationen als eine Summenformel oder andere vereinfachte Schreibweisen.

Bei molekularen Stoffen wird der Aufbau durch drei Begriffe genauer beschrieben: Die Konstitution bezeichnet die Art, Anzahl und Verknüpfung der Atome, die Konfiguration ihre räumliche Anordnung und die Konformation unterschiedliche räumliche Formen, die durch Drehungen um Bindungen entstehen können. Bei ionischen Verbindungen beschreibt ein Kristallgitter die regelmäßige räumliche Anordnung der Teilchen.

Darstellung und Erfassung

Chemische Strukturen werden durch verschiedene chemische Formeln und Modelle dargestellt. Dazu gehören Kalottenmodelle, die den Raumbedarf der Atome zeigen, und Kugel-Stab-Modelle, die Atome als Kugeln und Bindungen als Stäbe wiedergeben.

Nach den Regeln der chemischen Nomenklatur kann auch der Name einer Verbindung Angaben über ihre Struktur enthalten. Moderne Datenbanken verwenden eindeutige Strukturcodes wie InChI, SMILES oder WLN. Mit der Bestimmung und Beschreibung chemischer Strukturen beschäftigt sich die Strukturchemie. Für die Biologie ist besonders die Struktur-Wirkungsbeziehung wichtig, also der Zusammenhang zwischen dem Aufbau eines Stoffes und seiner Wirkung.

Instrumentelle Strukturaufklärung

Die experimentelle Bestimmung von Molekülstrukturen heißt Strukturanalytik. Welche Methode eingesetzt wird, hängt unter anderem vom Zustand und von den Eigenschaften der untersuchten Substanz ab.

Für kristalline Substanzen eignen sich besonders Beugungsmethoden. Dabei werden Strahlen am Kristallgitter gebeugt. Je nach verwendeter Strahlung unterscheidet man Röntgendiffraktometrie beziehungsweise Röntgenbeugung, Elektronenbeugung und Neutronenbeugung.

Für Flüssigkeiten, Gase und amorphe Festkörper stehen mehrere spektroskopische und analytische Verfahren zur Verfügung: NMR-Spektroskopie, Massenspektrometrie, Schwingungsspektroskopie – insbesondere Infrarot- und Raman-Spektroskopie – sowie UV-Spektroskopie. Auch die Röntgenabsorptionsspektroskopie wird verwendet. Eine besondere Form ist die EXAFS-Spektroskopie, mit der beispielsweise die Entfernung zwischen benachbarten Atomen bestimmt werden kann.

Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und die Augerelektronenspektroskopie (AES) dienen vor allem dazu, die chemische Zusammensetzung von Oberflächen zu bestimmen. Sie können jedoch ebenfalls zur Untersuchung von Festkörperstrukturen eingesetzt werden.

Historische Einordnung

Alexander Butlerow führte den Begriff „chemische Struktur“ 1861 ein. Damit bezeichnete er die Art und Weise, wie die Atome in einem zusammengesetzten Körper gegenseitig gebunden sind. In der Sowjetunion wurde sein Beitrag als entscheidend für das Verständnis der organischen Chemie angesehen; Butlerow galt dort deshalb als Begründer der wissenschaftlichen Organischen Chemie.