А.Т. Лебедев - Масс-спектрометрия в органической химии, страница 9

Так как электростатический анализатор пропускает ионы в зависимости от их энергии, метастабильные ионы, обладающие меньшей энергией по сравнению со стабильными, через него не проходят. Тем не менее пики метастабильных ионов проявляются в масс-спектре, полученном на двухфокусном приборе прямой геометрии (разд. 6.2), если фрагментация идет во втором бесполевом пространстве после прохождения электростатического анализатора. 40 Глава 2.

Физические основы процесса масс-спексромесрическото распада Схема 2.2 Многие масс-спектрометры позволяют работать в режиме получения спектров исключительно метастабильных ионов с дефокусировкой стабильных. В данном случае речь идет о варианте тандемной масс-спектрометрии (гл. 7), но без активации соударением. Так можно получать все виды спектров (родительских ионов, дочерних ионов, выбросов идентичных нейтральных частиц). Такие спектры позволяют устанавливать направления фрагментации, решать структурные задачи.

Однако интенсивность сигналов и даже наличие или отсутствие пиков конкретных ионов в спектрах зависит от энергии родительских ионов. Поэтому, в отличие от спектров активации соударением, различия в спектрах дочерних ионов двух родительских ионов не обязательно свидетельствуют об их разной структуре. Примером использования метастабильных ионов может служить масс-спектрометричесюе исследование М-фенил-4-пиано-5-гидрокси-1,2,3-триазола [691. Ионы [М-Щ+' триазолов обычно циклизуются в азирины [70, 711 (схема 2.2).

Однаю спектр метастабильных дочерних ионов свидетельствует о том, что одним из направлений распада [М вЂ” Щ+ Х-фенил-4-циано-5-гидрокси-1,2,3- триазола является отщепление радикала ХСО'. Такой процесс невозможен для азирина и заставляет предположить более сложную трансформацию иона [М вЂ” Щ+, например образование оксоиндола при взаимодействии радикального центра с бензольным ядром (схема 2.2).

2.4. Полуколичественная теория масс-спектрометрического распада К сожалению, строгая математизированная теория (КРТ или РРКМ) не применима к реальным органическим молекулам, поскольку за исключением простейших молекул все другие случаи требуют слишком большого времени даже с использованием современной компьютерной базы. Кроме того, значительные ошибки могут быть вызваны незнанием реальных структур ни родительских 2.4. Полуиоличествеииая теория масс-спеитрометричесаото распада 41 ионов,ни дочерних ионов, ни переходного состояния.

Распределение энергии по связям также не очевидно. Фактически, самым большим успехом этих строгих физических теорий можно считать расчеты спектров легких алканов (пропал, бутан), т. е. простейших молекул с одним типом химических связей. Возможно, в будущем с созданием следующих поколений компьютеров эти проблемы удастся преодолеть. Существует упрощенный подход в рамках полуколичественной КРТ для описания процессов фрагментации более сложных молекул. Для расчета констант скоростей реакций распада используется уравнение 2.8: (Š— Ео) (2.8) где /с — константа скорости, и — частотный фактор, Š— избыток внутренней энергии, Ео — критическая энергии конкретной реакции, тт' — число осцилляторов.

Частотный фактор и обратно пропорционален мере стерических затруднений в активированном комплексе (переходном состоянии) и фактически является численной характеристикой изменения энтропии в процессе; для простого разрыва связи он принимается равным ее колебательной частоте (ИК-спектроскопия). Для перегруппировочного процесса требуется конкретное расположение атомов в пространстве, что приводит к уменьшению величины и Число осцилляторов в молекуле, содержащей л атомов, рассчитывается по формуле: М = Зп — б.

Однако на практике оказывается, что не все осцилляторы равноценны, и величина Й завышается. Поэтому число осцилляторов обычно уменьшают в три раза. В случае использования этой упрощенной теории для расчета интенсивностей фрагментных ионов в спектре нельзя забывать про вторичные процессы распада этих ионов при наличии у них достаточной внутренней энергии. Интенсивность пика иона в спектре зависит и от скорости его образования, и от скорости его распада.

Глава 3 ОСНОВНЫЕ ПРАВИЛА И ПОДХОДЫ К ИНТЕРПРЕТАЦИИ МАСС-СПЕКТРОВ Накопление достаточного эмпирического материала по направлениям фрагментации органических соединений позволило выявить определенные закономерности и создать качественные теории масс-спектрометрического распада. Допущения, сделанные в этих теориях, не искажают реального смысла и позволяют легко понять суть процессов, а также запомнить и использовать для расшифровки масс-спектров возможные механизмы фрагментации соединений в зависимости от их структуры.

Кстати, используя материал по масс-спектрометрическому распаду органических соединений, К. Бнман 1721 еще в 1962 г. предложил первую классификацию основных реакций фрагментации. За этим последовала классификация Бенца 173]. В России вопросам классификации масс-спектрометрических реакции много внимания уделяет В. В. Тахистов 122, 23, 741. Наиболее признанными среди качественных теорий масс-спектрометрического распада являются концепция локализации заряда и неспаренного электрона, а также оценка стабильности ионов и нейтральных частиц. Несмотря на качественный характер эти подходы оказываются весьма полезными для реальной работы со спектрами.

В обоих случаях используется принцип минимальных структурных изменений на каждой стадии распада, а структура молекулярного иона принимается идентичной структуре исходной молекулы, если, конечно, какие-либо процессы изомеризации М+' до распада не доказываются особо. Бессмысленно противопоставлять эти две качественные теории друг другу. Критикуя второй подход, можно утверждать, что электроны в молекуле обобществлены и невозможно установить точное место локализации заряда и неспаренного электрона.

Совсем не обязательно предполагать, что для начала распада требуется какой-либо пусковой механизм, за исключением накопления достаточной энергии в конкретной химической связи. Однако обе теории позволяют сделать лишь качественные выводы, н использование их в комплексе помогает успешно интерпретировать спектры разнообразных органических соединений. 3.1. Стабильность ионов и нейтральных частиц Рассмотрим вновь реакцию распада иона АВХУ+' (схема 2.1): АУ+' + В=Х ~ — АВХУ+' — + АВ++ ХУ' ЗЛ. Стабильность ионов и нейтральных частиц 43 Рис. 3.1.

Энергетическая диаграмма образования иона АВ+ из молекулы АВХУ Известно, что с минимальными допущениями в подавляющем большинстве случаев можно считать, что энергия активации обратной реакции Е„отсутствует или очень мала. Используя постулат Хэммонда [75), можно предположить, что для эндотермической фрагментации переходное состояние будет значительно ближе к продуктам реакции„чем к исходной частице (рис. 3.1).

Следовательно, стабильность этих продуктов в значительной мере определяет эффективность процесса фрагментации. Важно учитывать стабильность не только дочернего иона, но и отщепляющейся нейтральной частицы. При оценке стабильности можно использовать обычные критерии, известные из курса органической химии. Третичный алкильный карбокатион устойчивее вторичного, а вторичный — первичного.

Для карбанионов этого типа порядок стабильности обратный. Бензильный и аллильный ионы устойчивы благодаря резонансной стабилизации, причем для бензильного катиона помимо четырех резонансных форм существует возможность энергетически выгодной в газовой фазе трансформации в катион тропилия, который имеет уже семь резонансных форм (схема 3.1). Схема 3.1 44 Глава 3. Основные правила и подходы к интерпретации масс-спектров Напротив, зр2-гибридизованные фенильный и винильный карбокатионы менее устойчивы по сравнению с их зрз-гибридизованными аналогами. Резонансная стабилизация приводит к значительному увеличению стабильности в случае возможного участия и-электронов гетероатомов (схема 3.2). + + СН2 — 1хН2 ~ ~ С~~2= 1аН2 + СН2 ОСНЗ СН2= ~СН3 Схема 3.2 Распад может осуществляться по определенному направлению благодаря удобной делокализации электрона в нейтральном продукте фрагментации.

В этом случае вновь «работают» классические правила органической химии. Делокализация электрона вследствие эффекта резонанса увеличивает стабильность аллилъного или бензильного радикалов, участие связей гт-СН приводит к повышенной стабильности третичных алкильных радикалов и т. д. Тем не менее следует помнить, что стабилизация заряда более существенна, чем стабилизация неспаренного электрона. Если трет-Сакэ стабильнее н-С4Нс~ на 1,5 эВ, то трет-СаН' стабильнее н-СеНс всего на 0,4 эВ.

Зачастую ионы распадаются с выбросом небольших нейтральных молекул: водород, метан, вода, монооксид и диоксид углерода, монооксид азота, хлористый водород, сероводород, метанол и т. д. Большая отрицательная величина теплоты образования этих молекул создает преимущества для реализации соответствующего направления распада. Альтернативные процессы, сопровождающиеся выбросами менее стабильных частиц, проигрывают конкуренцию, что может приводить к отсутствию соответствующих пиков в спектре. В результате маскируется наличие в соединении каких-то важных функциональных групп.

3.1.1. Правило выброса максимального алкнльного радикала Важнейшим исключением, когда интенсивность пика ионов падает с увеличением их термодинамической стабильности, является предпочтительное отщепление большего алкильного радикала. Этот эффект называется правилом выброса максимального алкильиого радикала. Правило «работает» всегда и часто помогает при интерпретации спектров. В качестве примера можно привести фрагментацию молекулярных ионов третичных аминов (схема 3.3). На первой стадии М+ теряет один из трех углеводородных радикалов (К', К2 или Кз').

Среди трех альтернативных фрагментов интенсивность пика ионов, образующихся при выбросе максимального радикала, будет наивысшей, а при выбросе минимального радикала — низшей. Аналогично среди первичных фрагментов„образующихся при распаде спиртов, максимальную интенсивность будет иметь пик иона [М-К;1+, возникающего при отщеплении максимального радикала (схема 3.4). Кстати, интенсивный 3.!. Стабильность ионов и нейтральных частиц 45 — К ! 2 СН2 1ч 1-Н2 1 СН2 з ! -К ! + 1-Н2 1ч — СН2 — кз ! СН2 3 ~-а' 1 + СН2 Х «-Н2 1! СН2 Схема ЗЗ 1-Н2= 1ч — СН2 1 СН2 3 ! ОН !! С вЂ” й~ ! з ОН !! К вЂ” С ! з Схема 3.4 пик иона [М вЂ” 1Ц+ означает, что атом углерода, от юторого отщепляется атом водорода, не связан с алкильными радикалами. В некоторых случаях правило выброса максимального алкильного радикала имеет не только качественный, но и юличественный аспект.