А.Т. Лебедев - Масс-спектрометрия в органической химии (1111819), страница 37
Текст из файла (страница 37)
Например, исследование геометрии ионов цитохрома С, полученных методом термораспыления (разд. 1.5.3), в зависимости от величины заряда, температуры и потенциала ввода показало следующее. Для ионов с небольшим зарядом (от +4 до — 7) при комнатной температуре и малой величине потенциала ввода характерна более свернутая форма по сравнению с существующей в водных растворах.
Это обьясняется тем, что растворитель препятствует плотной упаковке глобулярных белков, так как полярные боковые цепи направлены в растворитель для увеличения взаимодействия, а молекулы воды могут проникать в полости глобул. В отсутствие растворителя боковые цепи располагаются на поверхности глобул, и белок существует в более плотной форме.
С увеличением заряда иона (от +4 до +20) происходит увеличение его размера, т. е. его форма становится все менее компактной, ион раскрывается. В этом случае кулоновское отталкивание успешно конкурирует с внутримолекулярными взаимодействиями. Аналогичные процессы раскрытия глобул происходят при увеличении температуры эксперимента или потенциала ввода. Спектрометрия ионной подвижности позволяет также изучать реакции ионов при добавлении к буферному газу реакционноспособных частиц. Например, ввод в трубу дрейфа паров РзО позволяет изучать эффективность Н-Р обмена для ионов белков и пептидов конкретной геометрии. В работах [259) и [260) продемонстрированы возможности метода для детектирования взрывчатых веществ, лекарственных препаратов, компонентов химического оружия, органических загрязнений окружающей среды.
Хаген [261) показал, что метод может использоваться для разделения ионов изомерных полициклических ароматических углеводородов. Тридцатилетняя история тандемной масс-спектрометрии свидетельствует о возрастающем значении этого метода и связанных с ним комплексных методов (ГХ-МС-МС, ЖХ-МС-МС, спектрометрия ионной подвижности) в научных исследованиях. Эффективные структурные исследования сложных молекул (пептиды, белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты) не могут быть реализованы без тандемной масс-спектрометрии.
Преимущества метода для анализа смесей, структурных исследований, фундаментальной науки, для устранения проблем, связанных с искажением спектра из-за термических и ионно-молекулярных процессов, а также наличия примесей в образце очевидны. Фактически только высокая стоимость приборов препятствует повсеместному переходу от обычной к тандемной масс-спектрометрии.
Глава 8 ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ФРАГМЕНТАЦИИ ВАЖНЕЙШИХ КЛАССОВ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ В данной главе рассматриваются процессы фрагментации молекулярных катион- радикалов [ЭУ), протонированных (ХИ) и депротонированных [ХИОИ) молекулярных ионов основных классов органических соединений от алканов до белков и нуклеиновых кислот. Речь идет прежде всего о монофункциональных производных, а в некоторых случаях о бифункциональных.
Разобраны важнейшие доказанные реакции распада. Для более углубленного изучения массспектрометрического поведения органических соединений необходимо обращаться к специализированным обзорам и статьям. Много полезной информации по фрагментации под электронным ударом самых разнообразных соединений содержится в книге [161.
В этой главе не рассматриваются направления фрагментации гетероциклических соединений. Законы их распада остаются такими же, что и для других органических соединений, однако многообразие структур и связанное с этим многообразие реакций требуют специального обсуждения, что выходит за рамки данного пособия. Для занимающихся масс-спектрометрией гетероциклов можно посоветовать обратиться к книгам [15, 16, 2621.
Если основные процессы фрагментации органических соединений под ЭУ в той или иной мере описаны во многих учебных пособиях, то спектры химической ионизации остаются в основном предметом оригинальных статей и обзоров. Это связано со значительно меньшей универсальностью этого метода ионизации и большим числом переменных. Поэтому во избежание неоправданного увеличения объема данного пособия процессы в условиях химической ионизации описаны здесь только в общих чертах, но имеются весьма многочисленные ссылки на оригинальную литературу. 8.1. Алканы Электронный удар.
На рисунке 8.1 представлены спектры изомерных пентадеканов общей формулы СВНзз. Все четыре соединения характеризуются одинаковым набором пиков фрагментных ионов, отстоящих друг от друга на 14 а. е. м., однако интенсивности этих пиков существенно различаются. Пики молекулярных ионов алканов малоинтенсивны (обычно менее 1;4 в полном ионном токе); причем их интенсивность уменьшается с увеличением длины цепи или числа разветвлений в молекуле. В спектрах сильно разветвленных алканов зл.
Алканы 177 пик М+' может отсутствовать вовсе. Энергии ионизации алканов довольно высоки, так как ионизируются электроны С вЂ” Н- или С вЂ” С-о-связей. Основную гомологическую серию ионов можно изобразить общей формулой С„Нм+~ (в/г 29, 43, 57, 71... ). Условимся называть эту серию алкановой. Ионы алкановой серии образуются непосредственно из М+' при разрывах любой из С вЂ” С-связей, или в результате отщепления молекулы олефина из первичного алкильного иона.
По правилу Стивенсона заряд в результате фрагментации остается на том фрагменте, энергия ионизации которого ниже. Максимальными в спектрах, практически всегда, являются пики ионов с и/я 43 (СзН~т), 57 (С4Н+), 71 (СзН+и), поскольку энергии ионизации соответствующих алкильных радикалов минимальны и составляют 7,55, 6,93 и 6,94 эВ соответственно. Следует отметить, что даже в случае алканов нормального строения указанные фрагменты представляют собой изомеризованные структуры, так как вторичные и третичные карбокатионы значительно стабильнее, а, следовательно, процессы изомеризации термодинамически выгодны. В общем случае процессы рандомизации и скрамблинга, т. е.
полного смешения атомов водорода и углерода, очень характерны для парафинов. В связи с этим установить структуру сильно разветвленных алканов по их масс- спектрам электронного удара практически невозможно. Для нормальных алканов (рис. 8.1а) характерно экспоненциальное уменьшение интенсивностей пиков ионов алкановой серии, что позволяет однозначно подтверждать структуру этих соединений. При этом пик [М-СНз]+ либо полностью отсутствует, либо имеет крайне низкую интенсивность (рис. 8.1а). Задача структурного анализа разрешима и для алканов с одним-двумя разветвлениями.
Для этих соединений разрыв С вЂ” С-связей в месте разветвления более благоприятен по сравнению с разрывом соседних связей, поскольку образуется вторичный, т. е. более устойчивый, ион. Интенсивность соответствующих фрагментов оказывается аномально высокой и нарушает экспоненциальное падение интенсивностей пиков ионов алкановой серии, характерное для нормальных парафинов. Так, для 3-метилтетрадекана (рис. 8.1в) появляется пик иона [М вЂ” СНз]~, а интенсивность пика [М вЂ” СзНз]~ выше, чем даже иона с т/з 99.
В этих процессах четко выполняется правило выброса максимального алкила (разд. 6.1.1). В случае 2-метилтетрадекана (рис. 8.1б) помимо интенсивного пика [М вЂ” СНз]+ очень высокую интенсивность имеет пик иона [М вЂ” СзНт]+ с т/з 169. Такой процесс отщепления изопропильной группы является характеристикой алканов с метильным заместителем в положении 2. В случае 4,8-диметилтридекана (рис.
8.1г) отчетливо видны повышенные интенсивности пиков ионов с т/г 197„169 и 141. Первый обусловлен отщеплением метильного радикала, второй — пропильного, третий — амильного. Обратите внимание на четкое выполнение правила выброса максимального алкила. Понятно, что при наличии в цепи четвертичного атома углерода процессы разрыва связей с образованием третичного катиона становятся особенно благоприятными. В частности, пик иона с т/г 57 часто доминирует в спектрах соединений с трет-бутильной группой. 178 Глава 8. Основные направления фрагментации органических соединений !оо оо во га оо во Ва зо го 10 о 1ВО 2 а о 1ВО 140 !го 1оа во ео 40 е !г 1ао во во га во во 40 за 20 10 о во 00 200 1ВО !00 120 14О 1оа 4О Е /2 1оа 00 ва га во во ° а зо 20 10 а 40 00 ВО ! 00 120 1 ° О 1 ВО 1ВО 200 е !г !ао еа во гв ео ва 40 зо го !о о 200 !ВО !во 10О ! 20 !оо во во Ва Е! 12 Рис.
8.1. Масс-спектры электронного удара пентадекана (а), 2-метилтетрадекана (б), 3-ме- тилтетрадекана (в) и 4,8-диметилтридекана (г) 8.1. Алкины 179 Наряду с алкановой серией в спектрах можно выделить е1це две серии ионов, пики которых достаточно интенсивны. Ионы алкеновой серии с обшей формулой С„Н+, [ж/г 27, 41, 55, 69...) образуются в основном при неселективном отщеплении молекулы водорода ионами алкановой серии. В спектрах разветвленных изомеров значительно увеличивается интенсивность пиков нечетноэлектронных фрагментов серии С„Н+' с четной массой (схема 8.1). -Н + СиН 2и и1 Сйз "СН2й йСНз + СиН2и Сиз Схема 8.1 Движущей силой этих процессов является выгодность образования термодинамически стабильных замешенных алкенов. Интенсивность пика нечетнозлектронного иона оказывается выше при разрыве связи в месте разветвления, т.
е, процессы подчиняются закономерностям, описанным для алкановой серии. Химическая ионизация. Молекулы алканов обладают очень низкой величиной сродства к протону. Они могут протонироваться по связям С вЂ” С или С вЂ” Н [263], однако ионы оказываются нестабильными и распадаются с образованием алкильных катионов. Поэтому даже при использовании в качестве газа-реагента метана [высокая протонирующая способность) наибольшую интенсивность в спектре имеет ион [М вЂ” Н]+. Его образование можно рассматривать как потерю молекулы водорода протонированным молекулярным ионом МН+ или как реакцию отрыва аниона (разд.
2.3). Реакцию отрыва аниона можно считать также основным механизмом образования алкильных ионов (схема 8.2). Безусловно, фрагментные алкильные ионы могут возникать и при отщеплении молекулы алкена первичными ионами [М вЂ” Н]+ [схема 8.2).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
