Un contaminante tóxico, un polímero sorprendente y los datos del CDMS que permitieron atar cabos

Las microgotas de agua pueden convertir el disulfuro de carbono (CS₂), un contaminante industrial tóxico, en un polímero sólido a temperatura ambiente y sin necesidad de un catalizador. Se trata de un ejemplo llamativo de química verde: la transformación de residuos nocivos en materiales útiles en condiciones excepcionalmente suaves.

Pero una hipótesis convincente aún necesita demostrarse. ¿Se formó realmente un polímero y cómo creció? Estas preguntas son difíciles de responder. El producto no se disuelve, y la espectrometría de masas convencional (MS) No se observó nada por encima de los 210 Da.

Un nuevo estudio publicado en la revista «Journal of the American Chemical Society » de la Universidad de Zhejiang y la Universidad de Jianghan (China) describe esta primera polimerización impulsada por microgotas. Entre las numerosas técnicas analíticas aplicadas en el estudio, solo el Waters Xevo™ El CDMS aportó pruebas directas sobre el peso molecular, que mostraban un cambio en la distribución del peso molecular desde aproximadamente De 100 kDa a 300 kDa en 30 minutos.

¿Por qué es importante esto?

En el caso de una nueva vía de polimerización, el peso molecular es la prueba definitiva. Confirma que se ha formado un polímero y ofrece una perspectiva sobre cómo se desarrolla la reacción. El seguimiento del aumento del peso molecular ayuda a los investigadores a comprender el mecanismo subyacente y a evaluar si el proceso podría, en última instancia, optimizarse y ampliarse.

El reto analítico

El producto que se iba a analizar era un polvo amorfo y altamente reticulado, prácticamente insoluble en ocho disolventes habituales, lo que complica los métodos basados en disoluciones que se suelen utilizar para determinar el tamaño de los polímeros.

La espectroscopia completó la información química. Las técnicas FTIR, Raman, XPS y RMN en estado sólido confirmaron los enlaces C=C, C–S, S–S y C=S, y la pirólisis con GC-MS identificó los fragmentos liberados al calentarlo. Sin embargo, estos métodos describían los componentes básicos, pero no el tamaño del polímero resultante.

La espectrometría de masas convencional también se topó con un obstáculo. La ESI-MS del filtrado de la reacción detectó pequeños iones de azufre, pero ningún polímero, y la espectrometría de masas en microgotas en línea detectó especies de no más de cuatro átomos de carbono, todas por debajo de 210 Da. A medida que aumentan la masa y la heterogeneidad, la espectrometría de masas convencional pierde la resolución del estado de carga de la que depende la precisión de la masa.

Lo que ofreció CDMS

El CDMS mide la relación masa-carga y la carga de cada ion de forma individual, por lo que permite determinar el tamaño de especies grandes y heterogéneas sin que se hayan resuelto sus estados de carga. 

Al aplicarlo a las muestras tomadas a los 10, 20 y 30 minutos, permitió al equipo:

• Confirmar la formación de polímeros: detección de poblaciones de macromoléculas de entre decenas y cientos de kilodaltones, aproximadamente mil veces más grandes que cualquier molécula que un espectrómetro de masas convencional pudiera detectar en la misma reacción.
• Seguimiento del crecimiento a lo largo del tiempo: se observa un cambio general en la distribución, que pasa de unos 100 kDa a los 10 minutos a unos 300 kDa a los 30 minutos, con un aumento notable de la población de alta masa a medida que avanzaba la reacción.
• Resolver las poblaciones coexistentes: distinguir las especies cercanas a los 40 kDa y los 105 kDa a los 10 minutos, y una población separada, de mayor masa y mayor carga, que aparece a los 30 minutos.

La preparación de la muestra fue mínima. El equipo filtró la suspensión de reacción a través de una membrana de 0,45 µm, la introdujo en un capilar de vidrio de 2 µm y la analizó directamente, sin necesidad de disolución, derivatización ni separación previa.

Conformar una visión global

Ningún método por sí solo podía explicar esta historia. Cada uno respondía a una pregunta diferente, y el CDMS respondía a la que se encontraba entre ambas: qué tamaño alcanza el polímero y cómo crece.

Cuando una muestra es insoluble, reticulada o polidispersa, el CDMS aporta los datos sobre el peso molecular que completan el panorama, siempre que la cuestión sea determinar el tamaño y el grado de heterogeneidad, incluso en las siguientes aplicaciones:

• Polímeros
• Ensamblajes supramoleculares   
• Partículas virales 
• Vectores de terapia génica  
• Complejos proteicos

Lee el estudio completo, «Polimerización espontánea a temperatura ambiente del disulfuro de carbono en microgotas de agua», yconsulta los datos del CDMS en la información complementaria, figuras S14–S17.