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Para pequeñas especies quirales, imágenes de explosión de Coulomb proporciona un nuevo enfoque para determinar el uso de las manos de moléculas individuales.
Este artículo muestra cómo el COLTRIMS (frío destino retroceso Ion ímpetu espectroscopia) o la técnica del "microscopio de la reacción" puede utilizarse para distinguir entre enantiómeros (estereoisómeros) de especies quirales simple en el nivel de las moléculas individuales. En este enfoque, un jet gaseoso molecular de la muestra se expande en una cámara de vacío y cruza con pulsos de láser de femtosegundo (fs). La alta intensidad de los impulsos conduce a rápida ionización múltiple, encendiendo una llamada explosión de Coulomb que produce varios fragmentos (cargados positivamente) catiónicos. Un campo electrostático guías de estos cationes en detectores sensibles a tiempo y posición. Similar a un espectrómetro de masas de tiempo de vuelo, la hora de llegada de cada ion aporta información sobre su masa. Como un superávit, el campo electrostático se ajusta de manera que la dirección de emisión y la energía cinética después de la fragmentación conducen a variaciones en el tiempo de vuelo y en la localización del impacto en el detector.
Cada impacto ion crea una señal electrónica en el detector; Esta señal es tratada por electrónica de alta frecuencia y grabada por evento por una computadora. Los datos registrados corresponden a las posiciones y tiempos de impacto. Con estos datos, se pueden calcular la energía y la dirección de emisión de cada fragmento. Estos valores están relacionados con las propiedades estructurales de la molécula bajo investigación, es decir, a las longitudes de enlace y las posiciones relativas de los átomos, lo que permite para determinar a la molécula por molécula el uso de las manos de simple especies quirales y otras características isoméricos.
Quiralidad es una característica de nuestra naturaleza que ha sido fascinante investigadores de más de 150 años. En el 19 demayo siglo, Pasteur, van ' t Hoff y otros descubrieron que las moléculas pueden ocurrir en dos estructuras de la imagen del espejo que no son imponibles en super - como izquierda y manos derechas. Esta propiedad se denomina quiral, de la palabra griega para 'mano'.
Hasta ahora, se ha encontrado ninguna diferencia en propiedades termodinámicas o niveles de energía de las formas de mano izquierda y derecha (los dos "enantiómeros"). Para analizar el uso de las manos de una determinada muestra y para separar los enantiómeros, interacción con otras moléculas quirales puede utilizarse, como por ejemplo se hace en diversos enfoques cromatográficas. 1 métodos de Chiroptical como dicroísmo circular (vibracional), CD (V) y la dispersión rotativa óptica, ORD, habitualmente se emplean para distinguir entre enantiómeros. 2
En cuanto a la determinación de la estructura microscópica, estas técnicas requieren información adicional, por ejemplo de los cálculos del quántum-producto químico. La única técnica que es ampliamente aceptada para determinar directamente la configuración absoluta es anómala difracción de rayos x. 3
Recientemente se ha demostrado que se puede determinar la configuración absoluta de especies quirales simple por proyección de imagen de explosión de Coulomb. 4 , 5 en este enfoque, las moléculas en la fase gaseosa se multiplican ionizado para que los restantes núcleos fuertemente repelen uno al otro. Esta repulsión lleva a la fragmentación rápida ('explosión') de las moléculas. La dirección y la magnitud de la correlación de ímpetus de fragmento a la estructura de la molécula-para moléculas pequeñas, las indicaciones de impulso corresponden asombrosamente a los ejes de enlace. Explosión de Coulomb para la determinación de la estructura molecular pionera utilizando haces de iones moleculares de un acelerador. 6 esta técnica de papel Haz recientemente ha sido aplicado para el reconocimiento quiral. 7
Contrariamente a la difracción anómala de rayos x, la muestra no debe ser cristalina pero en la fase de gas. Esto hace que el enfoque de la explosión de Coulomb ideal para especies volátiles y por lo tanto complementario de difracción de rayos x. En ciertos casos, incluso puede determinar el uso de las manos para las moléculas individuales.
En la práctica, la reconstrucción exacta de la estructura molecular se ha demostrado difícil incluso para los derivados del metano, por ejemplo, moléculas con un carbono central y diversos sustitutos. Esto se atribuye al hecho de que la interacción entre los fragmentos no es exactamente Coulombic y que no todos los bonos rompen al mismo tiempo. Para obtener información de stereochemical, especialmente para diferenciar los enantiómeros, esta reconstrucción no es afortunadamente necesaria. En cambio, los vectores del impulso de diferentes fragmentos pueden correlacionarse para producir una cantidad que es distinta para las moléculas de mano izquierda y derecha. Para obtener resultados confiables, por lo menos cuatro ímpetus de fragmento tienen a grabar.
Para medir esta información de impulso, los fragmentos de una – y sólo una – molecular ruptura tengan que ser detectados en el paso de una sola medición. Esta condición se conoce generalmente como 'detección coincidente'. Además, las direcciones de emisión debe ser analizado, que asciende en la práctica para registrar el tiempo y la posición del fragmento de impacto en un formato de datos de modo de lista.
En física atómica y molecular, se han desarrollado técnicas que aplicar este enfoque de medición empleando electrostáticas espectrómetros de masa separación y tiempo-posición-sensibles y detectores multi-hit. El ejemplo más prominente es la configuración COLTRIMS (frío destino retroceso Ion ímpetu espectroscopia) – también conocido como microscopio de la reacción. 8 , 9 un croquis para este tipo de experimento se dan en la figura 1. Contrario a una norma COLTRIMS que puede grabar electrones así, imágenes de explosión de Coulomb requiere sólo el detector de iones.
Detector y espectrómetro se montan en ultra alto vacío (< 1 x 10-9 hPa) para evitar la creación de iones del gas residual. Las moléculas individuales de la muestra se proporcionan a través de un jet molecular libre gaseoso creado por expansión supersónica: en virtud de la presión de vapor, las moléculas de expansión a través de una boquilla pequeña (alrededor de 50 μm de diámetro) en el vacío. Esta parte del experimento, la cámara de origen, se separa de la región de interacción por etapas diferencialmente bombeadas y generalmente dos skimmers. Un adicional bombeada diferencialmente sección está situado detrás de la región de interacción para el jet del gas de la descarga y así evitar gas de fondo en la región de interacción.
La radiación ionizante se intersecta con el jet molecular menores de 90°. Mayoría de los laboratorios hoy en día utiliza pulsos de láser de femtosegundo, aunque la radiación sincrotrón, iones rápidos o impacto del electrón son posibles 'proyectiles' para inducir la explosión de Coulomb.
El siguiente protocolo hace la asunción que una configuración de ejecución para imágenes coincidentes de iones y un láser de femtosegundo son disponibles en el laboratorio. La intensidad de pico es necesaria para inducir la explosión de Coulomb en cuatro o incluso cinco fragmentos debe ser del orden de 6 x 1014 W/cm2. Para evitar medidas excesivamente largas, la tasa de repetición del láser debe ser 10 kHz o más. Esto es crucial porque, por un lado, detección coincidente puede sólo determinar si la probabilidad de fragmentación en el foco del láser está significativamente por debajo de 1 por cada pulso de láser (idealmente no más de 10%). La tasa de fragmentación total, por el contrario, no debe ser inferior a unos pocos kHz porque el porcentaje de las vías multifragmentation es generalmente menos de 10-4. Hecho tan alentadora, cabe mencionar que en principio ya es suficiente para identificar la configuración de una muestra de carbonil un evento de fragmentación solo, y que la detección de unos pocos cientos permite determinar la abundancia de los enantiómeros en un muestra de la composición enantiomérica desconocida.
PRECAUCIÓN: Asegúrese de estar familiarizado con todas posibles peligros relacionados con el experimento y en el laboratorio. El procedimiento a continuación incluye láseres de clase IV, alto voltaje y vacío. Consulte la hoja de datos de seguridad del material (MSDS) para que las especies a ser investigado.
1. preparación
2. A espectrómetro y detectores
Nota: esta parte del protocolo depende ligeramente de la aplicación efectiva del sistema detector y espectrómetro. La descripción aquí es válida para una configuración estándar de la COLTRIMS con un detector de línea de retardo hexagonal (HEX75). 10 en esta implementación, un detector tiene 7 canales de salida: uno para las placas microcanales (MCPs) y dos para cada una de las tres capas del ánodo de.
3. Entrega de la muestra
4. Medición
Nota: los siguientes pasos se realizan en el software de adquisición de datos.
5. Análisis de datos
Nota: Análisis de los datos en un experimento de imágenes de explosión de Coulomb es un complejo, pero gratificante tarea porque muchos parámetros pueden ser ajustados después de la experiencia y una multitud de correlaciones entre la medida ímpetus pueden ser exploradas. Todos los pasos siguientes se realizan generalmente después de la experiencia en el software de análisis de datos.
En esta parte, mostramos los resultados obtenidos para halometanos. Estas especies son ideales para los experimentos de la prueba de principio debido a su simplicidad y alta presión de vapor. Mientras tanto, se ha investigado el halotano de especies más compleja usando solo suave radiografía fotones de una fuente del sincrotrón para inducir ionización múltiple. 14
CHBrClF
Bromochlorofluoromethane (CHBrClF) es un ejemplo clásico de moléculas quirales con un átomo de carbono stereogenic. También es el candidato ideal para la proyección de imagen de explosión de Coulomb debido a su estructura simple y la alta presión de vapor (alrededor de 600 hPa a temperatura ambiente). Desafortunadamente, las especies no está disponible comercialmente; para el experimento aquí presentado, una mezcla racémica fue sintetizada por reaccionar CHBr2Cl con HgF2 según referencia15. Enriquecido Enantio muestras son difíciles de obtener en las cantidades necesarias de modo que hasta ahora se han obtenido solamente resultados para separar racematos.
Para los resultados presentados aquí la muestra se enfrió a alrededor de 240 K para obtener una densidad objetivo apropiado con la boquilla dada (10% de probabilidad de ionización por pulsos). La intensidad de pico del laser era estimada para ser 6 x 1014 W/cm2. La medición en la tasa de repetición de kHz 100 laser tuvo 11 h.
Para distinguir R y S-enantiómeros, un producto de triple normalizado se calcula a partir de los vectores del impulso de los tres halógenos flúor, cloro y bromo. Geométricamente, esta cantidad puede interpretarse como el coseno del ángulo entre el impulso de flúor y el plano de los ímpetus de cloro y bromo.
La figura 3 muestra cosθ para el isótopo CH79Br35ClF, junto con la definición geométrica. Dos picos claros son visibles, indicando los enantiómeros. La posición de los picos es consistente con una simulación de dinámica molecular clásica. Ya casi no hay fondo, la asignación de uso de las manos trabaja a nivel de molécula única.
CHBrCl2
La quiralidad de CHBrCl2 ocurre solamente si los isótopos 35Cl y 37Cl están presentes en la misma molécula. Una muestra con abundancia natural de isótopos así contiene moléculas quirales y achiral. Dos complicaciones adicionales se presentan aquí: en primer lugar, las distribuciones de tiempo de vuelo de los isótopos de cloro y bromo se superponen respectivamente debido a la pequeña diferencia de masa. Esto es particularmente relevante para cloro, como la determinación del uso de las manos depende de la correcta asignación de los isótopos. En segundo lugar, las especies quirales CH79Br35Cl37Cl tiene (dentro de la exactitud de la configuración) de la misma masa total como la especie achiral CH81Br35Cl2. La investigación de esta especie puede verse así como una prueba de referencia para el método.
Con el espectrómetro utilizado (espectrómetro longitud s = 60,5 mm, fuerza de campo eléctrico E = 57,1 V/cm), los datos para el isótopo quirales CH79Br35Cl37Cl podría ser seleccionado por el impulso total, utilizando una algoritmo sugerido por referencia16 asignar cual de los golpes pertenece a qué isótopo.
Consideraciones geométricas llevan a la conclusión de que pueden ser orientaciones de la molécula en el espacio donde los dos isótopos de cloro tienen el mismo tiempo de vuelo; en este caso, no pueden ser distinguidos por una cuestión de principio. Un procedimiento para clasificar estos eventos se ha descrito en la referencia de materiales suplementarios4. Como resultado, la configuración de moléculas isotópicamente quirales puede ser determinada con una alta fiabilidad.
Figura 1 : Vista en una configuración COLTRIMS. Las moléculas de acceder a la configuración a través de la boquilla y pasan por un par de skimmers. En la sala de interacción, los pulsos del láser se cruzan con el jet molecular menores de 90°. Los iones son guiados por el campo eléctrico del espectrómetro del detector (arriba). Para una mejor visibilidad, no todas las placas del espectrómetro se muestran. Las moléculas restantes son objeto de dumping en una sección diferencialmente bombeada (descarga jet) para mantener la presión de fondo en la región de interacción posible. Figura modificada de referencia17 con permiso de G. Kastirke. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 2 : Coincidencia de cuatro partículas espectro. Este histograma es una extensión de un espectro de masas de tiempo de vuelo de cuatro partículas: la suma de los tiempo de vuelos para el primer y segundo golpe en el detector se trazan en el x-eje, la suma de la tercera y cuarta del golpe del y-axis. El centro de los picos permite identificar las masas de los fragmentos detectados cuatro. La forma de las estructuras contiene información adicional: si los ímpetus de los fragmentos agregar hasta cero, los acontecimientos se encuentran en una estrecha línea (H, CF, Cl, Br). Si un fragmento lleva ímpetu, el ímpetu total distinto de cero de la partícula medida conduce a una ampliación de las funciones. Para fines de Ilustración, se utilizan datos de sincrotrón no láser, las mediciones aquí debido a las estadísticas más altas. Figura reproducida de referencia5 con permiso de Wiley-VCH. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Figura 3 : Distinción de enantiómeros en la cinco partículas desintegración de CHBrClF mediante el parámetro de quiralidad cos Θ como se define en el texto. El pico a los valores positivos se corresponde con el R-enantiomer, el pico a los valores negativos para el S-enantiómero. El recuadro ilustra cos θ geométricamente. La bajaFondo permite la cesión de uso de las manos para las moléculas individuales. Figura reproducida de referencia4 con permiso de AAAS. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
Debido a la variedad de componentes, una instalación COLTRIMS requiere un nivel bastante alto de conocimientos técnicos, especialmente en las áreas de técnica de vacío, detección de partículas, análisis rápido de datos y electrónica. Antes de dedicarse a la investigación de especies complejas, se debe así ser examinado si la instalación funciona correctamente, por ejemplo, realizando y analizando una medición sobre una especie diatómica o triatómica.
Optimización de la intensidad y duración de los pulsos del láser y la superposición con el jet molecular es esencial para lograr tantos múltiples eventos de ionización como sea posible. Como la distribución de impulso podría ampliar debido a la ionización secuencial durante diferentes ciclos del pulso del láser, la duración del pulso ideal no debe exceder 40 fs. Durante la medición es crucial obtener estadísticas suficientes. En el lado positivo, la determinación de la configuración absoluta no requiere una particularmente alta precisión comparada con otros experimentos de coincidencia, es decir, el procedimiento es bastante robusta a las fluctuaciones en el láser o la intensidad del chorro y eléctrico distorsiones del campo en el espectrómetro.
La limitación más fundamental de la técnica refiere a su aplicabilidad a moléculas más grandes. Se debe tener en cuenta que los resultados representan los ímpetus de los fragmentos, no la estructura de las moléculas en el espacio real. De bio-moléculas complejas, la relación entre medidas ímpetus y estructura molecular no se espera que sea tan sencillo en cuanto a las moléculas que presentan aquí. Además, las moléculas complejas pueden producir muchos canales de desintegración que no llevan información sobre la configuración, posiblemente disminuyendo el rendimiento de los canales pertinentes. Modelado de la fragmentación teórica, control de ruptura de patrones y procedimientos de análisis más sofisticados se necesitarán si la técnica consiste en extender a moléculas con tres o más átomos de carbono. En la etapa actual, no parece posible investigar la configuración de las proteínas o moléculas de complejidad similar, pero las limitaciones reales todavía deben determinarse.
Otra limitación de la configuración actual es el consumo relativamente alto debido al chorro molecular. Puede ser reducida mediante la implementación de un mecanismo de reciclaje (por ejemplo frío trampas en el frontal vacío). Sin embargo, sería beneficioso probar otros métodos de preparación de la muestra tales como jets efusivos, thermodesorption18 o láser de desorción técnicas19 que se han aplicado con éxito para el estudio de bio-moléculas en la fase gaseosa.
Imágenes de explosión de Coulomb es un método destructivo, es decir, moléculas que han sido fragmentadas para la determinación de la configuración no se puede utilizar más. Sin embargo, sólo una pequeña fracción realmente está ionizada (que es una de las razones para el consumo de alto mencionado en el párrafo anterior). Así podría ser posible utilizar las moléculas recicladas para su posterior aplicación.
Como la medición de ímpetus permite crear un conjunto de datos 'alineado' de las moléculas y para seleccionar ciertas direcciones espaciales, la técnica de coincidencia abre nuevas perspectivas para la investigación de los efectos de la asimetría en las moléculas quirales es en particular el caso si los ímpetus de los electrones se miden en coincidencia que puede lograrse mediante el uso de una configuración completa de COLTRIMS. Bomba-sonda técnicas permiten además estudiar la dinámica estructural de especies quirales.
Muy recientemente, imágenes de explosión de Coulomb ha utilizado también para determinar la geometría absoluta de cis y trans-isómeros,20 agregar una nueva clase de especies posibles y cuestiones que abordar. Como la investigación de la estereoquímica con espectroscopia de la coincidencia es aún en su infancia, los autores esperan que este artículo ayuda a inspirar a los investigadores que trabajan en las direcciones descritas en los párrafos anteriores a nuevos experimentos.
Los autores declaran a no hay intereses contrapuestos.
Agradecemos a Robert Berger (Philipps-Universität Marburg, Alemania) para inspirar los debates sobre la interpretación de nuestros datos y quiralidad molecular en general. Agradecemos a Julia Kiedrowski, Alexander Schießer y Michael Reggelin de TU Darmstadt (Alemania), así como Benjamin Spenger, Manuel Mazenauer y Jürgen Stohner de ZHAW Wädenswil (Suiza) para proporcionar la muestra.
El proyecto fue apoyado por la iniciativa del estado de Hessen para la ciencia y la excelencia económica bajo el enfoque ELCH (dinámica de sistemas quirales de electrones) y el Ministerio Federal de educación e investigación (BMBF). MS reconoce el apoyo financiero de la Fundación de Adolf Messer.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
CHBrCl2 | SigmaAldrich | 139181-10G | or other suitable sample |
femtosecond laser system | KMLabs | Wyvern500 | |
High-reflective mirrors | EKSMA | 042-0800 | |
mirror mounts | Newport | U100-A-LH-2K | |
focusing mirror (protected silver, f = 75 mm) | Thorlabs | CM254-075-P01 | (if available: f = 60 mm) |
COLTRIMS spectrometer, including electronics and data acquisition system | RoentDek | custom | contrary to the standard COLTRIMS, only one detector is needed |
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