CFEL – результат сотрудничества DESY, Гамбургского университета и Общества Макса Планка.
Многие химические соединения имеют многочисленные так называемые конформеры – различные формы молекулы, в которых некоторые строительные блоки пространственно перегруппированы (повернуты). «Даже крошечные изменения в структуре могут сильно повлиять на свойства соединения», – говорит Куппер. "Мы хотим знать, как именно молекулярная структура влияет на химические реакции. Различные конформеры могут даже приводить к разным продуктам реакции."
Чтобы исследовать эти различия более подробно, исследователи построили машину для сортировки молекул, которую можно использовать для выборочного выбора конформера и подачи его в химическую реакцию.
Устройство использует тот факт, что обычно изменение структуры также изменяет так называемый дипольный момент молекулы. Дипольный момент описывает, как молекула взаимодействует с электрическим полем.
Сортировочная машина создает неоднородное электрическое поле между электрически заряженным стержнем и желобом. Когда исследователи пропускают сразу несколько конформеров через узкую щель между стержнем и желобом, поле отклоняет различные конформеры в разной степени. Таким образом, устройство обеспечивает отсортированные пучки различных конформеров, которые можно пространственно разделить и направить индивидуально в реакционную камеру.
В качестве теста команды Куппера и Виллича отправили два конформера известного соединения из группы аминофенолов через устройство для сортировки.
Аминофенолы – это органические соединения, которые используются, среди прочего, для производства лекарств и красителей. Выбранные конформеры различались только направлением присоединения одиночного атома водорода к атому кислорода. «В результате один конформер имеет дипольный момент в три раза больше, чем другой», – говорит Куппер.
Ученые поочередно направляли различные отсортированные пучки в так называемую ионную ловушку, разработанную в Базеле, в которой два конформера вступали в реакцию с электрически заряженными атомами кальция (ионами кальция). «В ионной ловушке ионы кальция охлаждаются почти до абсолютного нуля при температуре минус 273 градусов Цельсия.
Поступая так, они располагаются в пространстве и образуют идеальную мишень для реакций с пространственно разделенными конформерами », – говорит Виллич.
«Оказалось, что скорость реакции одного из конформеров в два раза выше, чем у другого», – говорит член команды Юань-Пин Чанг из CFEL.
Таким образом, небольшое изменение структуры приводит к большим различиям в химической активности. «Таким образом, метод позволяет понять фундаментальные механизмы реакции, которые могут привести к более эффективному синтезу новых молекул, таких как активные фармацевтические ингредиенты», – говорит Уиллитч.
В качестве следующего шага исследователи хотят улучшить ионную ловушку, чтобы различные ионы и молекулы могли использоваться в качестве реагентов для сортированных конформеров.
Кроме того, ловушка будет совмещена с масс-спектрометром для более точного определения продуктов реакции.