Massaspectrometers zijn hightech machines die een belangrijke rol spelen in onze samenleving. Het zijn zeer gevoelige analytische instrumenten die onmisbaar zijn op gebieden als medische diagnostiek, voedselkwaliteitscontrole en de detectie van gevaarlijke chemische stoffen.

De onderzoeksgroep onder leiding van dr. Jonas Warneke van het Wilhelm-Ostwald-Instituut voor Fysische en Theoretische Chemie aan de Universiteit van Leipzig werkt aan het aanpassen van massaspectrometers zodat ze voor een heel ander doel kunnen worden gebruikt:de chemische synthese van nieuwe moleculen. Deze preparatieve massaspectrometers kunnen worden gebruikt om op een nieuwe manier chemische verbindingen te produceren.

De onderzoekers hebben onlangs een nieuwe verbinding gesynthetiseerd uit een geladen moleculair fragment en stikstof uit de lucht, die een breed scala aan potentiële toepassingen heeft bij het bouwen van nieuwe moleculaire structuren. Ze hebben hun nieuwe bevindingen gepubliceerd in het tijdschrift Angewandte Chemie . De omslag van het tijdschrift visualiseert het concept van het 'oogsten' van moleculen die zijn samengesteld uit fragmenten in een zaaddoosachtige benadering in de gasfase van een massaspectrometer, rechtstreeks in een chemische fles die normaal gesproken zou worden gebruikt voor conventionele synthese.

Het ontwikkelen van nieuwe manieren om chemische bindingen te verbreken en te hervormen is een van de belangrijkste taken van fundamenteel chemisch onderzoek.

‘Wanneer een binding in een geladen molecuul wordt verbroken, is het resultaat vaak een chemisch ‘agressief’ fragment, dat we een reactief fragment noemen. Deze fragmenten zijn moeilijk te controleren met behulp van gevestigde methoden van chemische synthese. Je kunt ze zien als ongetemde beesten. die alles op hun pad aanvallen. In een massaspectrometer zijn er veel manieren om bepaalde bindingen te verbreken en fragmenten te genereren", zegt Dr. Warneke, die de processen in massaspectrometers beschrijft.

Volgens hem worden de ‘beesten’ onder speciale omstandigheden gehouden omdat er een vacuüm heerst in de massaspectrometer. Dit betekent dat ze niets kunnen aanvallen, waardoor ongecontroleerde chemische reacties worden voorkomen. “Als we dan een bepaald molecuul aanbieden, bijvoorbeeld stikstof, dat normaal niet reactief is en niet bindt, is het beest daar tevreden mee omdat het geen andere keuze heeft”, zegt hij. Op deze manier kunnen moleculen die heel moeilijk te binden zijn, zoals stikstof, gemakkelijk in een nieuwe stof worden verwerkt”, vervolgt Warneke.

In het verleden heeft het onderzoeksteam deze aanpak gebruikt om reactieve fragmenten in zeer ongebruikelijke reacties te brengen, bijvoorbeeld met edelgassen, die van alle chemische elementen het moeilijkst te binden zijn. "De basisstrategie voor het controleren van chemische beesten in massaspectrometers is niet nieuw", zegt Warneke. Het wordt al tientallen jaren gebruikt om de eigenschappen van reactieve fragmenten te analyseren. De op deze manier gevonden nieuwe verbindingen konden echter niet verder worden gebruikt.

Massaspectrometers laten zien wat er binnenin gebeurt, maar de nieuwe stoffen worden slechts in kleine hoeveelheden geproduceerd en kunnen er doorgaans niet uit worden gehaald. Ze worden vaak eenvoudigweg vernietigd wanneer het voor analyses gebruikte signaal wordt gegenereerd.

Dit is de reden waarom onderzoekers experimenten met massaspectrometers meestal verlaten met 'grote kennis' maar 'lege handen'. "Ze hebben het beest onder controle. Precies waar ze op hoopten gebeurt:ze observeren het nieuwe molecuul met potentieel fascinerende eigenschappen, en dan is het verdwenen", zegt Warneke, die chemische experimenten in conventionele massaspectrometers beschrijft.

De nieuwe publicatie zou deze kijk op chemische reacties in massaspectrometers fundamenteel kunnen veranderen. Het onderzoeksteam produceerde een nieuwe stof uit een agressief fragment en niet-reactieve stikstof en verzamelde deze met preparatieve massaspectrometers in voldoende hoeveelheden zodat deze met het blote oog kon worden gezien, gehanteerd en verder geëxperimenteerd.

De hoeveelheid stof die met deze methode wordt geproduceerd, zal nog enige tijd beperkt blijven tot dunnefilmtechnologietoepassingen. Preparatieve massaspectrometrie zou echter binnenkort compleet nieuwe mogelijkheden voor deze toepassingen kunnen openen, bijvoorbeeld bij de productie van microchips, zonnecellen of biologisch actieve coatings.

Meer informatie: Markus Rohdenburg et al, Chemische synthese met gasvormige moleculaire ionen:oogsten [B₁₂ Br₁₁ N₂ ] ⁻ van een massaspectrometer, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202308600

Journaalinformatie: Angewandte Chemie Internationale Editie , Angewandte Chemie

Aangeboden door de Universiteit van Leipzig