Generating and determining chiral structures in non-chiral systems

Abstract

A powerful technique to distinguish the enantiomers of a chiral molecule is the Coulomb Explosion Imaging (CEI). This technique allows us to determine the handedness of a single molecule. In CEI, the molecule becomes charged by losing many electrons in a very short period of time by interacting with the light. The repulsion forces between the positive charged particles of the molecule leads the molecule to break into parts-fragments. By measuring the three vector momentum of (at least) four fragments, the handedness observable can be determined. In this thesis, CEI is induced by absorption of a single high energy photon, which creates an inner-shell hole (K shell) of the molecule. The subsequent cascade of Auger decays lead to fragmentation. We decided to work with the formic acid molecule in this thesis. Two different experiments were conducted. The first experiment focused on exciting electrons to different energy states, while the second experiment focused on extracting directly a photoelectron to the continuum and measure the angular distribution of the photoelectron in the molecular frame. The primary goal was to search for chiral signal in a pure achiral planar molecule under the previous electron processes. The results of these findings were further implemented to two more molecules.

Μια ισχυρή τεχνική για τη διάκριση των εναντιομερών ενός χειρικού μορίου είναι η απεικόνιση με έκρηξη Coulomb (CEI). Η τεχνική αυτή μας επιτρέπει να προσδιορίσουμε την αμφίπλευρη φύση (χειρομορφία) ενός μορίου. Στη CEI, το μόριο φορτίζεται χάνοντας πολλά ηλεκτρόνια σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα αλληλεπιδρώντας με το φως. Οι δυνάμεις απώθησης μεταξύ των θετικά φορτισμένων σωματιδίων του μορίου οδηγούν το μόριο να διασπαστεί σε τμήματα-θραύσματα. Με τη μέτρηση των τριών διανυσματικών ορμών (τουλάχιστον) από τεσσάρων θραυσμάτων, μπορεί να προσδιοριστεί η παρατηρούμενη χειρομορφία. Στην παρούσα διατριβή, η CEI προκαλείται από την απορρόφηση ενός και μόνο φωτονίου υψηλής ενέργειας, το οποίο δημιουργεί μια οπή στο εσωτερικό του κελύφους (κέλυφος Κ) του μορίου. Ακολουθεί το φαινόμενο στοιβάδας Auger που οδηγεί το μόριο να διασπαστεί στα επιμέρους ιόντα. Στην παρούσα διατριβή αποφασίσαμε να εργαστούμε με το μόριο του φορμικό οξέος. Διεξήχθησαν δύο διαφορετικά πειράματα. Το πρώτο πείραμα επικεντρώθηκε στη διέγερση ηλεκτρονίων σε διαφορετικές ενεργειακές καταστάσεις, ενώ το δεύτερο πείραμα επικεντρώθηκε στην απευθείας εξαγωγή ενός φωτοηλεκτρονίου στο συνεχές και στη μέτρηση της γωνιακής κατανομής του φωτοηλεκτρονίου στο μοριακό σύστημα. Ο πρωταρχικός στόχος ήταν η αναζήτηση ενός χειρικού σήματος σε ένα καθαρό αχειρικό επίπεδο μόριο υπό τις προηγούμενες διεργασίες ηλεκτρονίων. Τα αποτελέσματα αυτών των ευρημάτων εφαρμόστηκαν περαιτέρω σε δύο ακόμη μόρια.

Diese Dissertation widmet sich dem Thema Chiralität, Enantiomere, Anregung von Elektronen der inneren Schalen und Photoionisation. Die Arbeit wirft Licht auf die Wechselwirkungen und Auswirkungen dieser Phänomene auf molekulare Strukturen. Die Erforschung der Photoionisation sowie der Anregung und deren Zusammenspiel mit der Chiralität haben zu wegweisenden Erkenntnissen geführt. Des Weiteren wurden die Winkelverteilungen von K-Schalen und Photoelektronen von Ameisensäure, Sauerstoff und Isopropanol in einem molekülfesten Bezugssystem analysiert. Das Hauptziel dieser Arbeit war es herauszufinden, ob ein achirales Molekül wie Ameisensäure (HCOOH), das planar und ohne chirales Zentrum ist, unter bestimmten Bedingungen zwei Enantiomere produzieren kann. Aus diesem Grund wurden zwei verschiedene Experimente durchgeführt. Das erste Experiment mit Ameisensäure konzentrierte sich auf die Anregung des Moleküls in die Zustände π* und σ*. Danach zerfällt das Molekül. Die absolute Konfiguration des Moleküls zum Zerfallszeitpunkt kann aus den Zerfallsprodukten der Reaktion bestimmt werden. Diese Methode wird in der Literatur als CEI (Akronym aus dem englischen Coulomb Explosion Imaging) bezeichnet. Im zweiten Experiment mit Ameisensäure wurde das Molekül direkt photoionisiert. Die Verteilung der Winkel im molekülfesten System zeigt ebenfalls, ob das Molekül zum Zeitpunkt der Ionisation chirale Eigenschaften hatte. Im Gegensatz zum ersten Experiment wird hier der Chiralitätsgrad des Moleküls im Grundzustand ermittelt. Es stellt sich heraus, dass Ameisensäure selbst im Grundzustand chirale Eigenschaften hat. Das heißt, dass der Grundzustand nur im Mittel planar ist.