利用库仑爆炸成像技术区分立体异构体

摘要

对于小型手性分子，库仑爆炸成像提供了一种确定单个分子手性的新方法。

摘要

本文展示了如何利用冷靶反冲离子动量谱学（COLTRIMS）或称“反应显微镜”技术，在单个分子水平上区分简单手性分子的对映异构体（立体异构体）。在该方法中，样品的气态分子束进入真空室，并与飞秒（fs）激光脉冲相交。激光脉冲的高强度导致快速的多电离过程，引发所谓的库仑爆炸，产生多个阳离子（带正电荷）碎片。静电场将这些阳离子引导至具有时间与位置分辨能力的探测器上。类似于飞行时间质谱仪，每个离子的到达时间可提供其质量信息。此外，静电场经过特殊调节，使得碎片的发射方向和动能会影响其飞行时间以及在探测器上的撞击位置，从而获得动量信息。

每个离子撞击都会在探测器中产生一个电信号；该信号由高频电子设备处理，并由计算机逐事件记录。所记录的数据对应于碎片的撞击时间和位置。利用这些数据，可以计算出每个碎片的能量及其发射方向。这些数值与被研究分子的结构特性相关，即化学键长和原子间的相对位置，从而能够逐个分子地确定简单手性物种的手性以及其他异构特征。

引言

手性是自然界的一种特征，一百五十多年来一直令研究人员着迷。在20世纪^th 19世纪，巴斯德、范特霍夫等人发现，分子可以具有两种无法完全重叠的镜像结构，就像我们的左手和右手一样。这一性质被称为“手性”，源自希腊语中“手”一词。

迄今为止，尚未发现左旋和右旋形式（两种“对映异构体”）在热力学性质或能级上存在差异。为了分析给定样品的手性并分离对映异构体，可以利用与其他手性分子的相互作用，例如在多种色谱方法中所采用的策略。¹ 手性光学方法，如（振动）圆二色光谱（(V)CD）和旋光色散（ORD），已被常规用于区分对映异构体。²

在确定微观结构时，这些技术需要额外的信息，例如来自量子化学计算的数据。目前唯一被广泛接受的可直接确定绝对构型的技术是反常X射线衍射。³

最近研究表明，简单手性物种的绝对构型可以通过库仑爆炸成像法确定^4,5。该方法中，气相分子被多重电离，导致剩余原子核之间产生强烈排斥。这种排斥使分子迅速碎裂（“爆炸”）。碎片动量的方向和大小与分子结构相关——对于小分子而言，动量方向与化学键轴....

方案

注意：务必熟悉与本实验及实验室相关的所有潜在危险。以下操作涉及四类激光器、高压电和真空环境。请查阅待研究物种的材料安全数据表（MSDS）。

1. 准备

1. 预备注意事项
   注意：在实际实验开始之前，必须做出两个主要选择：一是关于待研究的可能物种，二是关于质谱仪中的电场。此处假设该装置已用于先前的其他实验，且质谱仪本身无需重新改造。
   1. 样本选择
      1. 选择一个预期存在能体现手性或待研究结构特征的碎片化路径的样品。需注意氢原子通常以中性碎片形式释放；仅氢原子数目不同的官能团可能难以区分。可从简单的（可能是非手性的）物种开始，例如卤代甲烷或卤代乙烷。
      2. 检查样品是否至少有 0.02 mol 可供使用，因为这是截至目前成功实验所使用的最小量。
      3. 验证样品是否能够达到足够的蒸气压。根据仪器的设计，蒸气压 >进行激光实验时，需要5 hPa的气压以获得足够的喷流动态密度。如果蒸气压显著低于此值，应检查通过加热样品是否能够达到所需的蒸气压。对于液体和固体样品，均可通过加热实现，后者可借助升华过程完成。若需加热，则必须在输送系统的气体通路中建立正向温度梯度（喷嘴处温度最高），以防止气体冷凝。此外，也可考虑采用更高级的样品制备方法，例如通过载气拾取样品。
   2. 质谱仪中....

结果

在本部分中，我们展示了卤代甲烷的实验结果。由于结构简单且蒸气压高，这类物质非常适合作为原理验证实验的研究对象。同时，已有研究利用同步辐射源产生的单个软X射线光子对更复杂的分子——氟烷，诱导其发生多电离过程。¹⁴

CHBrClF

溴氯氟甲烷（CHBrClF）是具有手性碳原子的典型手性分子实例。由于其结构简单且具有较高的蒸气压（室温下约为600 hPa），它也是进行库仑爆炸成像的理想候选分子。然而，该化合物并未商业化供应；本实验中使用的外消旋混合物是通过参考文献¹⁵所述方法，由CHBr₂Cl与HgF₂反应合成得到。由于难以获得足够数量的对映体富集样品，目前仅获得了外消旋体的实验结果。

讨论

由于组件种类繁多，COLTRIMS 装置需要较高的专业技术水平，尤其是在真空技术、粒子探测、快速电子学和数据分析方面。在开展对复杂物种的实验研究之前，必须首先全面检查装置是否正常运行。 例如 通过测量并分析双原子或三原子物种的性质。

优化激光脉冲的强度和持续时间以及其与分子束的重叠，对于实现尽可能多的多电离事件至关重要。由于在激光脉冲的不同周期内发生逐级电离可能导致动量分布展宽，脉冲持续时间理想情况下不应超过40 fs。在测量过程中，获得足够的统计量至关重要。值得指出的是，与其他符合实验相比，绝对构型的确定并不需要特别高的精度。 即 该方法对激光或喷流强度的波动以及质谱仪中电场的畸变具有较强的耐受性。

该技术最根本的局限性在于其对较大分子的适用性。必须明确的是，实验结果反映的是碎片的动量，而非分子在实空间中的结构。对于复杂的生物大分子，所测得的动量与分子结构之间的关系预计不会像本文所展示的分子那样直接明了。此外，复杂分子可能产生大量不携带构型信息的解离通道，从而降低相关通道的产率。若要将该技.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
CHBrCl2	SigmaAldrich	139181-10G	或其他合适的样品
飞秒激光系统	KMLabs	Wyvern500
高反射镜	EKSMA	042-0800
镜片支架	Newport	U100-A-LH-2K
聚焦镜（保护银膜，f = 75 mm）	Thorlabs	CM254-075-P01	（如可获得：f = 60 mm）
COLTRIMS谱仪，含电子学系统和数据采集系统	RoentDek	定制	与标准COLTRIMS不同，仅需一个探测器