Ladede molekylære dyr som grundlag for nye kemiske forbindelser

Massespektrometre er højteknologiske maskiner, der spiller en vigtig rolle i vores samfund. De er meget følsomme analyseinstrumenter, der er uundværlige inden for områder som medicinsk diagnostik, fødevarekvalitetskontrol og påvisning af farlige kemiske stoffer.

Forskergruppen ledet af Dr. Jonas Warneke ved Wilhelm-Ostwald-Institutet for Fysisk og Teoretisk Kemi ved Leipzig Universitet arbejder på at modificere massespektrometre, så de kan bruges til et helt andet formål:Den kemiske syntese af nye molekyler. Disse præparative massespektrometre kan bruges til at fremstille kemiske forbindelser på en ny måde.

Forskerne syntetiserede for nylig en ny forbindelse fra et ladet molekylært fragment og nitrogen fra luften, som har en bred vifte af potentielle anvendelser til at bygge nye molekylære strukturer. De har offentliggjort deres nye resultater i tidsskriftet Angewandte Chemie . Tidsskriftsforsiden visualiserer konceptet med at "høste" molekyler, der var sammensat af fragmenter i en frøkasse-lignende tilgang i gasfasen af ​​et massespektrometer direkte ind i en kemisk kolbe, der typisk ville blive brugt til konventionel syntese.

Udvikling af nye måder at bryde og reformere kemiske bindinger er en af ​​hovedopgaverne for grundlæggende kemisk forskning.

"Når en binding i et ladet molekyle brydes, er resultatet ofte et kemisk 'aggressivt' fragment, som vi kalder et reaktivt fragment. Disse fragmenter er svære at kontrollere ved hjælp af etablerede metoder til kemisk syntese. Man kan tænke på dem som utæmmede udyr som angriber alt på deres vej I et massespektrometer er der mange måder at bryde visse bindinger på og generere fragmenter på," siger Dr. Warneke og beskriver processerne i massespektrometre.

Ifølge ham holdes "dyrene" under særlige forhold, fordi der er et vakuum inde i massespektrometeret. Det betyder, at de ikke har noget at angribe, hvilket forhindrer ukontrollerede kemiske reaktioner. "Hvis vi så tilbyder et bestemt molekyle, for eksempel nitrogen, som normalt ikke er reaktivt og ikke binder, er udyret tilfreds med det, fordi det ikke har noget andet valg," siger han. På den måde kan molekyler, der er meget svære at binde, såsom nitrogen, nemt inkorporeres i et nyt stof," fortsætter Warneke.

Tidligere har forskerholdet brugt denne tilgang til at bringe reaktive fragmenter i meget usædvanlige reaktioner, for eksempel med ædelgasser, som er de sværeste af alle kemiske grundstoffer at binde. "Den grundlæggende strategi for at kontrollere kemiske bæster i massespektrometre er ikke ny," siger Warneke. Det har været brugt i årtier til at analysere egenskaberne af reaktive fragmenter. De nye forbindelser fundet på denne måde kunne dog ikke bruges yderligere.

Massespektrometre viser, hvad der sker inde i dem, men de nye stoffer produceres kun i bittesmå mængder og kan normalt ikke udvindes. De bliver ofte simpelthen ødelagt, når signalet, der bruges til analyser, genereres.

Dette er grunden til, at forskere normalt kommer væk fra eksperimenter med massespektrometre med "stor viden", men "tomme hænder." "De har udyret under kontrol. Præcis det, de håbede på, sker, de observerer det nye molekyle med potentielt fascinerende egenskaber, og så er det væk," siger Warneke, der beskriver kemiske eksperimenter i konventionelle massespektrometre.

Den nye publikation kan fundamentalt ændre dette syn på kemiske reaktioner i massespektrometre. Forskerholdet fremstillede et nyt stof ud fra et aggressivt fragment og ikke-reaktivt nitrogen og opsamlede det med præparative massespektrometre i tilstrækkelige mængder, så det kunne ses med det blotte øje, håndteres og eksperimenteres yderligere med.

Mængden af ​​stof, der produceres ved denne metode, vil forblive begrænset til anvendelser af tyndfilmsteknologi i nogen tid fremover. Imidlertid kan præparativ massespektrometri snart åbne op for helt nye muligheder for disse anvendelser, for eksempel i produktionen af ​​mikrochips, solceller eller biologisk aktive belægninger.

Flere oplysninger: Markus Rohdenburg et al., Kemisk syntese med gasformige molekylære ioner:høst [B₁₂ Br₁₁ N₂ ] ^- fra et massespektrometer, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202308600

Journaloplysninger: Angewandte Chemie International Edition , Angewandte Chemie

Leveret af Leipzig University