А.Т. Лебедев - Масс-спектрометрия в органической химии, страница 2

Финансовые вложения нефтяных компаний в значительной степени способствовали быстрому инструментальному и теоретическому становлению нового научного направления. Огромный фактический материал по истории масс-спектрометрии содержит богато иллюстрированная фотографиями и рисунками отличная книга под редакцией М. Грейсона [11, изданная в 2002 г. к 50-летию Масс-спектрометрического общества США.

Традиционно органическая масс-спектрометрия используется для решения двух основных проблем: идентификация веществ и изучение фрагментации ионизированных молекул органических соединений в газовой фазе в ионном источнике [2). С появлением хроматомасс-спектрометрии, ионна-циклотронного резонанса [3], систем протока после разряда [41 возможности классического метода значительно увеличились. Соединение масс-спектрометра с жидкостным хроматографом еще более расширило круг изучаемых объектов. Новые методы прелисловие 7 ионизации, в частности «электроспрей» [5] и МЛДИ [6], появившиеся к концу ХХ века, позволили успешно работать со сложнейшими биоорганическими молекулами, такими как полипептиды, белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, молекулярные массы которых составляют миллионы дальтон [7]. Сегодня можно проанализировать соединение практически любой сложности.

В последние годы широко ведутся исследования по анализу микроорганизмов [8], по моделированию в газовой фазе химических реакций термолиза, фотолиза, превращений катализируемых кислотами и основаниями [9], по изучению каталитических процессов [10]. В этой связи уместно привести шутливое выражение одного из «отцов» органической масс-спектрометрии Фреда Мак-Лафферти: «Если химическую задачу нельзя решить с помощью масс-спектрометрии, ее вообще нельзя решить» (11]. Признанием важности масс-спектрометрии для развития современной науки стало присуждение в 2002 г.

Нобелевской премии создателям методов электроспрея и МЛДИ Джону Фенну и Кончи Танаке. Наряду с очевидным использованием масс-спектрометрии в органической и биоорганической химии для установления структур соединений хроматомассспектрометрия стала сегодня основным методом качественного и количественного определения органических загрязнений в объектах окружающей среды. Современная химическая экология немыслима без этого метода. Изучение метаболизма лекарственных средств и пестицидов в окружающей среде и живых организмах также ведется с активным использованием масс-спектрометрии. Метод незаменим в криминалистических исследованиях и при проведении допинг- контроля на спортивных соревнованиях. Масс-спектрометрия применяется для решения геохимических и космохимических проблем, задач комбинаторной химии, иммунологии и медицины, при идентификации микроорганизмов и т.

д. Масс-спектрометрия имеет явное преимущество перед другими физико-химическими методами, поскольку оперирует с простейшими характеристиками вещества: массой молекулы и ее основных фрагментов, а также с отношением количеств этих фрагментов. Это позволяет достаточно легко усвоить основы метода и научиться работать с масс- спектрами не только подготовленным студентам, но и школьникам старших классов, изучающим органическую химию. Учитывая„что расшифровка масс- спектра может быть сродни решению головоломки типа «рихх1е», овладение этим методом принеся несомненную пользу, как увеличение «багажа» знаний, увлекательно своей простотой. Тем не менее занимаясь масс-спектрометрией органических соединений уже более 20 лет, я постоянно сталкиваюсь с ситуацией, когда даже опытные химики-органики пасуют перед масс-спектром, предпочитая извлечь необходимую информацию о структуре с помощью других, более знакомых им методов.

Объяснение этому я нахожу в отсутствии учебной литературы по интерпретации масс-спектров и в отсутствии спецкурсов по этой дисциплине в вузах России. 8 Предисловие Книги по масс-спектрометрии советских авторов, изданные в 70-80 годах прошлого века, затрагивали отдельные аспекты органической масс-спектрометрии [12-31]; среди них в качестве учебной литературы можно было бы выделить лишь два пособия [15, 27]. Русскоязычный читатель не был знаком и с большинством иностранных изданий; на русский язык были переведены лишь фундаментальная пионерская монография Джона Бейнона [2] и еще три книги [32 — 34], причем две из них [32, 33] достаточно давно. Следует лишь сожалеть, что замечательный учебник Мак-Лафферти [35], претерпевший уже четыре издания, так и не переведен на русский язык.

Уже во время работы над этим пособием вышла в свет книга группы авторов «Основы масс-спектрометрии органических соединений» [36]. В ней хорошо изложены классические аспекты органической масс-спектрометрии, подкрепленные представительным набором задач. Данное пособие направлено на решение двух основных задач: учебной и познавательной. С материалом можно знакомиться последовательно или выборочно по конкретным главам или разделам. Учебную функцию несут прежде всего гл.

2-4, 8 — 10, в которых рассмотрены основные теории и законы фрагментации органических соединений. Большое внимание уделено именно работе с масс- спектром, подходам к его расшифровке с извлечением максимальной структурной информации. Описание основных направлений фрагментации различных классов органических соединений (от алканов до белков и нуклеиновых кислот) сопровождается реальными масс-спектрометрическими задачами. Решая эти задачи, читатель сможет закрепить теоретический материал и затем успешно справляться с подобными проблемами в своей последующей научной работе. Большое число вариантов типовых задач позволяет использовать книгу не только для индивидуальной работы, но и для семинаров в студенческих группах.

Глава 9 посвящена вопросам количественного масс-спектрометрического анализа. Последнее десятилетие ХХ века ознаменовалось революционными новациями в органической масс-спектрометрии. В русскоязычной литературе пока отсутствуют описания современных методов ионизации, анализа и расшифровки спектров сложных биологических соединений. В данной работе наряду с описанием классических методов ввода и ионизации образца, а также разделения и детектирования ионов значительное место уделено теоретическим и практическим аспектам современной масс-спектрометрии: электрораспыление и другие методы стыковки жидкостного хроматографа с масс-спектрометром, матричная лазерная десорбционная ионизация (гл.

5), масс-спектрометрия с преобразованиями Фурье, варианты времяпролетной масс-спектрометрии и т. д. (гл. 6), а также тандемная масс-спектрометрия„спектры с переменой заряда, нейтрализация — реионизация, спектрометрия ионной подвижности (гл. 7). Очень важно, чтобы масс-спектрометрией как методом исследования владели и его применяли в работе непосредственно химики, биологи, экологи, а не узкий Предисловие 9 круг профессиональных масс-спектрометристов. Никто столь досконально не знает своей задачи, как сам исследователь, работающий с веществом. Если он сможет правильно поставить масс-спектрометрическую задачу и при этом владеет техникой интерпретации масс-спектров, эффективность работы со спектрами будет существенно выше, чем у профессионального масс-спектрометриста, далекого от конкретной исследовательской проблемы. Для правильной расшифровки масс-спектра может оказаться необходимой информация о производителе исходного реактива, о побочных процессах изучаемой реакции, о примесях к реагентам или даже о реакции, которая ставилась в этой посуде за неделю до данного эксперимента.

ВВЕДЕНИЕ Масс-спектрометрия является физико-химическим методом анализа, заключающимся в переводе молекул образца в ионизированную форму с последующим разделением и регистрацией образующихся при этом положительных или отрицательных ионов. Масс-спектр позволяет сделать выводы о молекулярной массе соединения, его составе и структуре.

Масса самого тяжелого иона в спектре равна молекулярной массе анализируемого соединения. Принято представлять масс-спектр в виде графика или таблицы (рис. 1). В случае графического изображения по оси абсцисс откладывается масса ионов (точнее величина отношении массы иона к его заряду), а по оси ординат— их интенсивности, т. е. относительное количество ионов данного вида. Принято выражать интенсивность в процентах к полному ионному току (суммарной интенсивности всех ионов в спектре) или к интенсивности максимального иона (рис. 1). В качестве единицы размерности массы в масс-спектрометрии используются термины; углеродные единицы (у.

е.), атомные единицы массы (а. е. м.), дальтоны (Да). Задача 1. Попробуйте установить, какому распространенному органическому соединению принадлежит масс-спектр, представленный на рис. 1. Массспектрометрия высокого разрешения показала, что точная молекулярная масса соединения 60,0211 Да, что соответствует составу СзН40з. Обращайте на данном этапе внимание только на наиболее интенсивные пики в спектре, которые обусловлены всей молекулой (ион с иlз 60) и ее наиболее значимыми структурными фрагментами. В данном случае наиболее важными осколочными ионами являются фрагменты с и/г 45, 43, 28 и 15. Для получения масс-спектра прежде всего необходимо ввести образец в источник ионов (гл.

1), затем перевести его молекулы в заряженную форму (положнтельные или отрицательные ионы, гл. 2), разделить эти ионы по массам и зарегистрировать их массы и количество (гл. 6). В современных приборах управление всеми операциями, а также обработку результатов осуществляет компьютер, являющийся неотьемлемой частью масс-спектрометра. На выходе можно получить спектр в любом виде, провести вычитание или усреднение спектров, провести сравнение с библиотекой масс-спектров.