Chemometrische Methoden zur Strukturaufklärung mit MS und IR

Zentrale Probleme in der Chemie sind die Identifizierung chemischer Substanzen in Proben und die Aufklärung chemischer Strukturen. Die beiden Probleme sind verwandt: die Substanzidentifikation bezieht sich auf die Erkennung bereits bekannter Substanzen, für die geeignete Daten vorhanden sind; Strukturaufklärung ist der schwierigere Teil und bezieht sich auf die Ermittlung der chemischen Struktur neuer Verbindungen, die beispielsweise im Labor synthetische erzeugt wurden oder in biologischen, umweltrelevanten oder lebensmitteltechnischen Proben gefunden wurden. Chemische Strukturen können nicht direkt mittels eines Geräts erfaßt werden. Die moderne Chemie benützt die experimentelle Spektroskopie zur Substanzidentifikation und zur Strukturaufklärung, insbesondere mittels Kernresonanzspektren (NMR), Massenspektren (MS) und Infrarotspektren (IR). Die Beziehungen zwischen den von einer Substanz gemessenen Spektrendaten and deren chemischer Struktur sind jedoch sehr komplex und können nicht ausreichend in Form von Regeln oder Algorithmen dargestellt werden, die auf praktische Probleme anwendbar sind. Wenngleich die Spektreninterpretation bereits teilweise durch Computerverfahren unterstützt wird, verbleibt ein weites Gebiet an unerforschten Methoden und Ideen. Ziel des Projekts ist ein wesentlicher Beitrag zur computer-unterstützten Interpretation von MS- und IR-Spektren. Diese beiden spektroskopischen Methoden wurden für das Projekt gewählt, weil sie auf die Analyse von Substanzen angewendet werden können, die in nur sehr kleiner Konzentration vorliegen und weil Erfahrung, Datenbanken und Software im Labor des Antragstellers verfügbar sind. Die wesentlichen Konzepte des Projekts umfassen die Verwendung großer Spektren- und Struktur-Datenbanken, die Entwicklung neuer Spektren-Ähnlichkeitssuchen, die Anwendung der multivariaten Datenanalyse inklusive Neuronaler Netze und Genetischer Algorithmen, sowie die Nutzung der hohen Leistungsfähigkeit heutiger Personal Computer. Neben der Grundlagenforschung ist ein wichtiges Ziel die Erstellung eines Software-Prototyps für die praktische Nutzung in Labors. Es wird erwartet, daß diese Software auch in jenen Fällen eine Hilfe bieten kann, bei denen die derzeitigen Methoden versagen; das ist insbesondere die struktur-orientierte Beurteilung von Spektren- Ähnlichkeitssuchen, die explorative Untersuchung von Spektren-Struktur-Beziehungen, sowie die automatische Substanzklassenerkennung, die in Kombination mit der Isomerengenerierung zu einer systematischen Strukturaufklärung führt. Für wichtige Teile des Projekts sollen bestehende Kooperationen mit anderen Forschungsgruppen intensiviert werden: mit Mathematikern der Universität Bayreuth (Deutschland), Spektroskopikern der Universität Plovdiv (Bulgarien) und analytisch arbeitenden Chemikern der Universität Wien.