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Infrarotspektroskopie von Naturstoffen

Schlawis, Christian

Die Identifizierung biogener, flüchtiger organischer Verbindungen (Volatile Organic Compounds, VOCs) stellt eine besondere Herausforderung für Naturstoffchemiker dar. Standardmethoden der Strukturaufklärung wie NMR oder Röntgenkristallstrukturanalysen können nicht angewandt werden, da die genannten Verbindungen in der Regel nur in sehr geringen Mengen und in komplexen Mischungen verfügbar sind.  Die wichtigste Methode für die Untersuchung von VOCs ist die GC/MS, welche eine hohe Sensitivität mit der chromatographischen Auflösung eines Gaschromatographen vereint. Die aus GC/MS-Analysen erhältlichen Elektronenstoßionisations (EI)-MS-Spektren lassen wichtige Schlüsse in Bezug auf viele strukturelle Merkmale organischer Verbindungen zu. Die hohe Vergleichbarkeit von EI-MS-Spektren ermöglicht zusätzlich den automatisierten Abgleich der gemessenen Spektren mit katalogisierten Literaturspektren. Dennoch ist die Aussagekraft dieser Analysetechnik begrenzt und führt in manchen Fällen nicht zu ausreichender Strukturinformation um eine Identifizierung zuzulassen.  Neuartige GC/DD-FTIR (Direct Deposition Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie)-Geräte sind inzwischen in der Lage, hochaufgelöste Infrarotspektren aus nur Nanogramm-Mengen Substanz zu gewinnen und somit die massenspektrometrischen Analysen zu ergänzen. IR-Spektroskopie liefert zu Massenspektrometrie orthogonale Information insbesondere über funktionelle Gruppen und die Konfiguration von C-C-Doppelbindungen. Ein weiterer Vorteil von IR-Spektren ist darüber hinaus ihre Vorhersagbarkeit mit modernen Rechenmodellen auf Basis der Dichtefunktionaltheorie. Durch die Simulation von IR-Spektren und Vergleich von Simulation und Experiment kann eine dritte Ebene an Information kreiert werden, mit der die infrage kommenden Strukturen weiter eingrenzt werden können. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden GC/DD-FTIR-Analysen erfolgreich eingesetzt, um mehrere VOCs zu identifizieren, die nur basierend auf GC/MS-Analysen nicht aufgeklärt werden konnten. Weiterhin wurde die Anwendbarkeit der Methodenkombination aus GC/MS, GC/DD-FTIR und Simulationen von IR-Spektren am Beispiel der Unterscheidung von Konstitutionsisomeren ungesättigter Ketone gezeigt. Letztendlich konnte mit der entwickelten Methodik außerdem eine Reihe bisher unbekannter bicyclischer Lactone aus Salinispora-Bakterien aufgeklärt werden.

The identification of biogenic volatile organic compounds (VOCs) poses an extraordinary challenge to natural product chemists. Standard techniques like NMR or x-ray crystal structure analysis are not applicable as the mentioned compounds are usually available in miniscule amounts and part of complex mixtures. The most important method for VOC research is GC/MS which combines high sensitivity with the chromatographic resolution of a gas chromatograph. The GC/MS analyses yield electron impact (EI) mass spectra containing information allowing for insight into the structural motifs present in organic compounds. Furthermore, the high reproducibility of EI-MS-spectra enables automated comparison of experimental spectra and existing databases. However, the structural information obtained from this technique is limited and, in some cases, not sufficient for an unambiguous identification. Modern GC/DD-FTIR (Direct Deposition Fourier Transform Infrared Spectroscopy) instruments are able to record high resolution infrared spectra with just nanograms of substance and thus to complement GC/MS analyses. IR-spectroscopy delivers orthogonal information to mass spectrometry especially regarding functional groups and the configuration of C-C-double bonds. Another benefit of IR-spectra is their predictability using modern mathematical models based on density functional theory. Comparison of such simulations with the experimental spectra allows for the creation of a third level of information further reducing the number of possible structures. In the context of this work it has been shown that GC/DD-FTIR analyses can be used successfully for the identification of VOCs which were inaccessible by GC/MS-analyses alone. Additionally, the method combination of GC/MS, GC/DD-FTIR and simulation of infrared spectra was applied to the differentiation of regioisomers of unsaturated ketones. The developed method also paved the way for the structure elucidation of a family of unprecedented bicyclic lactones from Salinispora bacteria.

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Schlawis, C., 2020. Infrarotspektroskopie von Naturstoffen. https://doi.org/10.24355/dbbs.084-202008181226-0
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