Spatially Resolved Single Bead Analysis: Homogeneity, Diffusion, and Adsorption in Cross-Linked Polystyrene Editorial note: For a similar study using confocal Raman spectroscopy, see the preceding paper by J. Kress, A. Rose, J. G. Frey, W. S. Brocklesby, M. Ladlow, G. W. Mellor, M. Bradley, Chem. Eur. J. 2001, 7, 3880–3883.
2001-09-17

For the first time, the optical slices of whole beads (top) obtained by confocal fluorescent microscopy were compared with the fluorescent images of microtome-sliced beads. The experiments revealed that only physical slices (bottom) of beads deliver realistic representations of the distribution of fluorophores, and confirm the homogeneity of functional site distribution in polystyrene beads. Spatially resolved single bead analysis in the micrometer range was employed as a tool for evaluating homogeneity, diffusion, and adsorption in solid-phase supported reactions. Fluorescence microscopy (confocal and non-confocal) as well as IR microscopy were used to detect both the distribution of products and the formation of product gradients in representative reactions. For the first time, the optical slices of whole beads obtained by confocal fluorescence microscopy were compared with the fluorescence images of microtome-sliced beads. The experiments revealed that only physical slices of polystyrene beads deliver realistic representations of the distribution of fluorophores, and confirmed—in contrast to a recent report—the homogeneity of functional site distribution in polystyrene beads. Moreover, the pattern of product formation obtained from an acylation reaction as well as from an alkylation reaction were employed as probes to study the impact of bead size, diffusion, and adsorption on the reaction progress. A simulation of the diffusion process was conducted and compared with the experimental results. Diffusional control was found neither in the case of the alkylation nor in the case of the acylation reaction under investigation. As a consequence, the reaction progress was not a function of the bead sizes as proposed in the literature. Interestingly, in the case of rhodamine acylation with substoichiometric amounts an adsorption-controlled reaction was found. This result highlights the significance of adsorptive effects in solid-phase supported chemistry. Räumlich aufgelöste Analytik von einzelnen Harzkugeln im Mikrometerbereich wurde durchgeführt, um die Homogenität, Diffusion und Adsorption von Festphasen-unterstützten Reaktionen zu untersuchen. Sowohl konfokale und nicht-konfokale Fluoreszenzmikroskopie als auch IR-Mikroskopie wurden benutzt, um die Produktverteilung und die Gradientenbildung in repräsentativen Beispielreaktionen nachzuweisen. Erstmals wurden optische Schnitte von ganzen Harzkugeln, die durch konfokale Fluoreszenzmikroskopie erhalten wurden, mit den Fluoreszenzbildern von Mikrotomschnitten verglichen. Die Experimente zeigten, dass nur die physikalischen Schnitte von Harzkugeln realistische Abbildungen der Produktverteilung lieferten und bestätigten—im Widerspruch zu einem kürzlich erschienenen Artikel—die homogene Verteilung der Reaktionszentren in Polystyrolkugeln. Darüber hinaus wurden die Muster der Produktbildung, die bei einer Acylierung bzw. bei einer Alkylierung erhalten wurden, als Sonde für den Einfluss von Kugelgröße, Diffusion und Adsorption auf den Reaktionsfortschritt eingesetzt. Eine Simulierung des Diffusionsvorganges wurde durchgeführt und mit den experimentellen Ergebnissen verglichen. Diffusionskontrolle wurde dabei weder im Falle der untersuchten Alkylierung noch der Acylierung gefunden. Folglich war der Reaktionsfortschritt keine Funktion der Kugelgröße wie dies in der klassischen Literatur gefordert wird. Interessanterweise wurde bei der Acylierung mit Rhodamin mit substöchiometrischen Mengen ein Adsorptions-kontrollierter Reaktionsverlauf gefunden. Dieses Ergebnis unterstreicht die Bedeutung adsorptiver Effekte in der Festphasen-unterstützten Chemie. Supporting information for this article is available on the WWW under http://wiley-vch.de/home/chemistry/or from the author. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.