Formazione immagine di esplosione Coulombiana come uno strumento per distinguere tra stereoisomeri

Chiralità è una caratteristica della nostra natura che è stato affascinanti ricercatori per più di 150 anni. Nella 19^th century, Pasteur, Van ‘ t Hoff e altri scoperto che molecole possono accadere in due strutture di immagine speculare che non sono super-imposable – come la nostra mano destra e sinistra. Questa proprietà è stata definita ‘chirale’, dalla parola greca per ‘mano’.

Finora, nessuna differenza in proprietà termodinamiche o nei livelli di energia di destri e forme (i due ‘ enantiomeri’) è stata trovata. Al fine di analizzare la manualità di un dato campione e a separare gli enantiomeri, interazione con altre molecole chirali può essere utilizzato, come avviene ad esempio in vari metodi cromatografici. ¹ chiroottiche metodi quali dicroismo circolare (vibrazionale), CD (V) e dispersione rotatoria ottica, ORD, ordinariamente sono impiegati per distinguere tra enantiomeri. ²

Quando si tratta della determinazione della struttura microscopica, queste tecniche richiedono informazioni aggiuntive, ad esempio da calcoli di chimica quantistica. L’unica tecnica che ampiamente è accettato per determinare direttamente la configurazione assoluta è anomala diffrazione di raggi x. ³

Recentemente è stato dimostrato che la configurazione assoluta di specie chirali semplice può essere determinata da Coulomb esplosione Imaging. ^{4 , 5} in questo approccio, molecole in fase gassosa sono moltiplicare ionizzato affinché i restanti nuclei fortemente respingono ogni altro. Questa repulsione conduce alla frammentazione veloce (‘esplosione’) delle molecole. La direzione e l’entità del frammento momenta correlato alla struttura della molecola – per piccole molecole, le direzioni di slancio corrispondono sorprendentemente bene per gli assi di legame. Esplosione di Coulomb per determinazione della struttura molecolare è stato sperimentato utilizzando fasci di ioni molecolari da un acceleratore. ⁶ questa tecnica di lamina fascio ha recentemente stato anche chiesto il riconoscimento chirale. ⁷

Contrariamente anomala diffrazione di raggi x, il campione non deve essere cristallina ma fornito in fase gassosa. Questo rende l’approccio di Coulomb esplosione ideale per specie volatili e così complementari per diffrazione dei raggi x. In alcuni casi, la manualità può essere determinata anche per singole molecole.

In pratica, la ricostruzione esatta della struttura molecolare ha dimostrato difficile anche per i derivati del metano, ad es. molecole con un carbonio centrale e diversi sostituenti. Ciò è attribuita al fatto che l’interazione tra i frammenti non è esattamente Coulombic e che non tutti i legami rompono simultaneamente. Al fine di ottenere informazioni stereochimiche, soprattutto per distinguere tra enantiomeri, questa ricostruzione non è fortunatamente necessaria. Invece, i vettori di slancio di diversi frammenti possono essere correlati per produrre una quantità che si è distinta per le molecole di mano destra e sinistra. Per ottenere risultati affidabili, momenta frammento almeno quattro deve essere registrate.

Per misurare queste informazioni di slancio, i frammenti da uno – e un solo – disgregazione molecolare devono essere rilevato in un passaggio di misurazione singola. Questa condizione è definita solitamente come ‘coincidente rilevamento’. Inoltre, le indicazioni di emissione devono essere analizzati, che gli importi in pratica per registrare il tempo e la posizione del frammento impatto in un formato di dati modalità elenco.

In fisica atomica e molecolare, tecniche sono state sviluppate che implementano questo approccio di misurazione impiegando elettrostatiche spettrometri di massa per massa rivelatori multi hit separazione e tempo – e posizione-sensibili. L’esempio più prominente è l’installazione COLTRIMS (freddo Target rinculo Ion Momentum Spectroscopy) – noto anche come reazione microscopio. ^{8 , 9} uno schizzo per questo tipo di esperimento è dato in Figura 1. Contrariamente a un COLTRIMS standard che può registrare anche gli elettroni, Coulomb esplosione Imaging richiede solo il rivelatore di ioni.

Spettrometro e rilevatore sono montati sotto vuoto ultraelevato (< 1 x 10^-9 hPa) per evitare la creazione di ioni da gas residuo. Singole molecole del campione sono fornite tramite un getto molecolare gratis gassoso creato da espansione supersonica: in virtù della pressione del vapore, le molecole espandono attraverso un piccolo ugello (circa 50 micron di diametro) nel vuoto. Questa parte dell’esperimento, la camera di origine, è separata dalla regione di interazione di solito due skimmer e fasi differenzialmente pompati. Un ulteriore pompata differenzialmente sezione si trova dietro la regione di interazione per il getto del gas di discarica e quindi evitare gas di fondo della regione di interazione.

Le radiazioni ionizzanti si interseca con il getto molecolare inferiore ai 90°. Maggior parte dei laboratori oggi utilizzano impulsi laser a femtosecondi, anche se la radiazione di sincrotrone, ioni veloci o impatto elettronico sono possibili ‘proiettili’ per indurre esplosione di Coulomb.

Il seguente protocollo rende il presupposto che esegue l’installazione per l’imaging coincidente di ioni e un laser a femtosecondi sono disponibili in laboratorio. L’intensità di picco necessaria per indurre l’esplosione di Coulomb in quattro o persino cinque frammenti deve essere dell’ordine di 6 x 10¹⁴ W/cm². Per evitare misurazioni estremamente lunghi, il tasso di ripetizione del laser dovrebbe essere 10 kHz o più. Questo è fondamentale perché, da un lato, coincidente rilevazione può essere accertato solo se la probabilità di frammentazione nel fuoco del laser è significativamente inferiore a 1 ogni impulso laser (idealmente non più di 10%). Il tasso di frammentazione totale, d’altra parte, non dovrebbe essere inferiore a qualche kHz perché la quota delle vie multifragmentation pertinenti è di solito meno di 10^-4. Fatto come incoraggiante, va ricordato che in linea di principio un evento singolo frammentazione è già sufficiente per identificare la configurazione di un campione di enantiopuri, e che la rilevazione di poche centinaia permette di determinare l’abbondanza di enantiomeri in un esempio di composizione enantiomerica sconosciuta.