Masspektrometrar är högteknologiska maskiner som spelar en viktig roll i vårt samhälle. De är mycket känsliga analysinstrument som är oumbärliga inom områden som medicinsk diagnostik, kontroll av livsmedelskvalitet och upptäckt av farliga kemiska ämnen.

Forskargruppen som leds av Dr Jonas Warneke vid Wilhelm-Ostwald-Institute for Physical and Theoretical Chemistry vid Leipzigs universitet arbetar med att modifiera masspektrometrar så att de kan användas för ett helt annat syfte:den kemiska syntesen av nya molekyler. Dessa preparativa masspektrometrar kan användas för att producera kemiska föreningar på ett nytt sätt.

Forskarna syntetiserade nyligen en ny förening från ett laddat molekylärt fragment och kväve från luften, som har ett brett utbud av potentiella tillämpningar för att bygga nya molekylära strukturer. De har publicerat sina nya rön i tidskriften Angewandte Chemie . Tidskriftsomslaget visualiserar konceptet att "skörda" molekyler som var sammansatta av fragment i ett frölådaliknande tillvägagångssätt i gasfasen av en masspektrometer direkt i en kemisk kolv som vanligtvis skulle användas för konventionell syntes.

Att utveckla nya sätt att bryta och reformera kemiska bindningar är en av huvuduppgifterna för grundläggande kemisk forskning.

"När en bindning i en laddad molekyl bryts blir resultatet ofta ett kemiskt "aggressivt" fragment, som vi kallar ett reaktivt fragment. Dessa fragment är svåra att kontrollera med etablerade metoder för kemisk syntes. Man kan tänka på dem som otämjda bestar som attackerar allt i deras väg I en masspektrometer finns det många sätt att bryta vissa bindningar och generera fragment", säger Dr Warneke och beskriver processerna i masspektrometrar.

Enligt honom hålls "odjuren" under speciella förhållanden eftersom det finns ett vakuum inuti masspektrometern. Detta innebär att det inte finns något för dem att angripa, vilket förhindrar okontrollerade kemiska reaktioner. "Om vi ​​sedan erbjuder en viss molekyl, till exempel kväve, som normalt inte är reaktiv och inte binder, är besten nöjd med den eftersom den inte har något annat val", säger han. På så sätt kan molekyler som är mycket svåra att binda, som kväve, enkelt inkorporeras i ett nytt ämne", fortsätter Warneke.

Tidigare har forskargruppen använt detta tillvägagångssätt för att få reaktiva fragment i mycket ovanliga reaktioner, till exempel med ädelgaser, som är de svåraste av alla kemiska grundämnen att binda. "Den grundläggande strategin för att kontrollera kemiska bestar i masspektrometrar är inte ny", säger Warneke. Det har använts i årtionden för att analysera egenskaperna hos reaktiva fragment. De nya föreningar som hittats på detta sätt kunde dock inte användas vidare.

Masspektrometrar visar vad som händer inuti dem, men de nya ämnena produceras bara i små mängder och kan vanligtvis inte utvinnas. De förstörs ofta helt enkelt när signalen som används för analyser genereras.

Det är därför forskare vanligtvis kommer bort från experiment med masspektrometrar med "stor kunskap" men "tomma händer". "De har odjuret under kontroll. Exakt vad de hoppades på händer, de observerar den nya molekylen med potentiellt fascinerande egenskaper, och sedan är den borta", säger Warneke och beskriver kemiska experiment i konventionella masspektrometrar.

Den nya publikationen kan i grunden förändra denna syn på kemiska reaktioner i masspektrometrar. Forskargruppen producerade ett nytt ämne från ett aggressivt fragment och oreaktivt kväve och samlade in det med preparativa masspektrometrar i tillräckliga mängder så att det kunde ses med blotta ögat, hanteras och experimenteras vidare med.

Mängden ämne som produceras med denna metod kommer att förbli begränsad till tunnfilmsteknologiapplikationer under en tid framöver. Men förberedande masspektrometri kan snart öppna upp helt nya möjligheter för dessa applikationer, till exempel vid produktion av mikrochips, solceller eller biologiskt aktiva beläggningar.

Mer information: Markus Rohdenburg et al, Kemisk syntes med gasformiga molekylära joner:Skörd [B₁₂ Br₁₁ N₂ ] ⁻ från en masspektrometer, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202308600

Journalinformation: Angewandte Chemie International Edition , Angewandte Chemie

Tillhandahålls av Leipzig University