使用超快激光脉冲实时观察化学反应过程中的手性变化

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有些分子可以两种镜像形式存在,类似于我们的左右手。尽管这样的对映异构体具有几乎相同的物理性质,但是它们并不相同。它们相互之间像图像和镜像一样表现的事实称为手性(来自希腊语cheiro手)。然而,在自然界中,通常仅存在一种对映体,例如在氨基酸,DNA或糖中。产生这些分子的酶本身是手性的,因此仅产生一种类型的对映体。

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这种对自然的偏爱具有深远的影响。例如,药物的对映异构体可能具有完全不同的作用方式,例如有毒,或者完全无效。食品和化妆品行业也对手性感兴趣,因为根据对映体的不同,香气和香精的感觉也不同。因此,化学家经常试图仅生产一种对映异构体,或者,如果不可能的话,试图分离对映异构体的混合物。

为了将对映异构体彼此区分开,化学家使用偏振光,因为对映异构体沿相反方向旋转偏振光的平面。化学键的断裂或形成发生在非常短的时间范围内,即在几飞秒(十分之一秒)内。利用现有的测量,不可能在如此短的时间内监视手性并因此遵循化学过程。

了解手性分子的反应

化学和应用生物科学系教授汉斯·雅各布·沃纳(Hans JakobWörner)领导的研究人员现在已经开发出一种新方法,可以直接实时观察化学反应过程中手性的变化。研究人员已经产生了飞秒激光脉冲,它们具有量身定制的随时间变化的偏振态。这种新方法使他们第一次能够同时实现对手性和时间分辨率的必要敏感性。

在他们的实验中,科学家在科学杂志PNAS上进行了报道,他们用两个超短紫外激光脉冲激发了气态手性分子(R)-2-碘丁烷。激发导致碳和碘之间的键断裂。在该方法中,最初以手性构象形成2-丁基自由基,其迅速失去其手性。在新开发的偏振激光脉冲的帮助下,它们随后能够实时追踪由于碘原子的裂解而在键断裂后手性如何消失。

正如科学家所说,这种新方法也可以应用于液相或固相,以观察分子手性的极快变化。现在,在如此短的时间范围内直接进行手性光化学过程的可能性使人们有可能更好地了解手性分子的反应。这可以促进开发对映体纯化合物的新方法或改进方法。


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