Jak tłumaczy w informacji prasowej dr Mateusz Urbańczyk, wyjaśnienie mechanizmów zawiłych reakcji chemicznych wymaga zaawansowanych technik badawczych. Procesy trzeba monitorować w czasie. Również przy projektowaniu nowatorskich materiałów funkcjonalnych konieczne jest dokładne poznanie poszczególnych etapów syntezy i to na poziomie molekularnym w funkcji czasu. Każdy półprodukt, nawet nietrwały, może mieć znaczenie dla pomyślnego przebiegu reakcji.

Naukowcy postanowili wykorzystać magnetyczną naturę jądra atomu. Dzięki tworzeniu określonego pola magnetycznego przez elektrony krążące wokół jądra w zewnętrznym polu magnetycznym można określić skład chemiczny, a nawet spojrzeć w głąb mechanizmów procesów chemicznych.

Pole magnetyczne jądra zależy od charakteru chemicznego związku, takiego jak konfiguracja elektronowa, struktura molekularna i interakcje międzycząsteczkowe. Skład chemiczny próbek można badać za pomocą techniki magnetycznego rezonansu jądrowego (NMR). Jest to jedna z najbardziej uniwersalnych i zarazem dokładnych technik umożliwiająca identyfikację związków i to na poziomie molekularnym - ocenia dr Urbańczyk.

Naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk, kierowani przez dr. Mateusza Urbańczyka, zaproponowali ulepszoną metodę NMR, która zapewnia wysoką rozdzielczość i analizę sygnałów w czasie rzeczywistym.

Połączyli dwie czasowo-rozdzielcze metody NMR, co pozowliło jednocześnie na pomiar współczynnika dyfuzji poszczególnych substancji chemicznych i monitorowanie tworzenia produktów reakcji. Pomiary te opierają się na zestawieniu wyników średniej masy danych substancji chemicznych biorących udział w danym procesie oraz sygnałów podzielonych w porcje o określonej wielkości. Dzięki temu nawet złożone procesy, takie jak polimeryzacja, fotopolimeryzacja lub kompleksowanie mogą być szczegółowo zbadane i rozłożone na czynniki pierwsze. W ten sposób można nawet śledzić pojawianie się nietrwałych półproduktów reakcji.

"W naszej pracy nową metodę wykorzystano do zbadania reakcji fotopolimeryzacji układów opartych na bis-antracenie. Taki układ jest bardzo interesujący do obserwacji tworzenia coraz bardziej złożonych struktur podczas polimeryzacji. To z kolei może być pomocne przy projektowaniu różnych fotofunkcjonalnych materiałów" – mówi dr Urbańczyk, cytowany w prasowym komunikacie.

Aby pokazać potencjał zaproponowanej metody, badawcze poddali analizie poszczególne etapy fotopolimeryzacji aromatycznej pochodnej bis-antracenu - N,N-bis(antracen-9-ylmetylo)butano-1,4-diaminy (H2banthbn). W związku z tym, że fotopolimeryzacja zależy od warunków doświadczalnych podczas prowadzenia reakcji, może ona podlegać różnym szlakom dla poszczególnych cząsteczek.

Badacze podkreślają, że różne warianty przebiegu procesu powodują ogromną złożoność reakcji, dlatego stanowi ona ogromne wyzwanie.

"Dopiero połączenie obu czasowo-rozdzielczych metod pozwala nam zrozumieć proces fotopolimeryzacji H2banthbn. Stosując wyłącznie metody dyfuzyjne, mielibyśmy jedynie informacje o uśrednionej masie układu, a uzyskanie danych o poszczególnych n-merach byłoby prawie niemożliwe" – twierdzi dr Urbańczyk.

Zaznacza, że użycie dwóch metod oddzielnie dałoby tylko średni współczynnik dyfuzji. Jednak, podczas fotopolimeryzacji liczba cząsteczek o danej długości zmienia się, co utrudnia określenie mechanizmu procesu. Śledzenie szlaku reakcji poszczególnych cząsteczek podczas polimeryzacji jest trudne i jako wypadkową można jedynie oszacować średnią masę mieszaniny molekuł o różnej wielkości. Dlatego przy stosowaniu jednej z technik niemożliwe byłoby oszacowanie kinetyki reakcji chemicznej, takiej jak czas trwania konkretnego dimeru, trimeru aż do tworzenia oligomerów lub nawet większych cząsteczek.

Dzięki połączeniu tej metody z czasowo-rozdzielczym losowym próbkowaniem zarejestrowane dane są dzielone na poszczególne zestawy i po kolei badane. Takie rozwiązanie umożliwia szczegółową analizę pojedynczego sygnału w czasie rzeczywistym. Połączenie różnych metod zapewnia korelację między poszczególnymi cechami badanego układu a informacjami, których nie można uzyskać, gdy są stosowane oddzielnie.

"Przedstawiliśmy nową, kompleksową metodologię dla układu bardzo złożonego i wymagającego pod kątem stężenia szerokości sygnału oraz wielkości pola magnetycznego. Jest to uniwersalne narzędzie, które może być stosowane do różnych rodzajów reakcji chemicznych, zwłaszcza reakcji polimeryzacji i fotoreakcji" - zapewnia dr Urbańczyk. Dodaje, że metoda ta dostarcza nowych informacji nawet w tak złożonych procesach, jakimi są reakcje biochemiczne.

Badania przedstawiono w artykule (proszę o link: 10.1021/jacs.2c05944) w "Journal of the American Chemical Society".

PAP - Nauka w Polsce

kol/ ekr/