ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В ХИМИИ Модуль I «Основные методы исследования в органической химии» Елена Александровна Краснокутская, д.х.н., профессор кафедры Биотехнологии и Органической химии

Лекция 4 1.Масс-спектрометрия. Введение 2.Техника эксперимента Методы ионизации Анализаторы масс 2. Масс-спектрометрия с ионизацией электронным ударом. Общие положения Интерпретация масс-спектров с ионизацией электронным ударом

Масс-спектрометрия - физический метод исследования и анализа веществ, в основе которого лежит ионизация молекул вещество Ионизация ионы Электростатическое поле пучки ионов Анализ масс лучи (m/z) Решаемые задачи: оценка чистоты образца, определения молекулярной массы, определение элементного состава; структурный анализ Количество образца: ¸ г. Массовая область - диапазон массовых чисел однозарядных ионов, регистрируемых прибором Нижняя граница: 1, 2 а.е.м. Верхняя граница: а.е.м а.е.м. до 2000 а.е.м. и более. Разрешающая способность - возможность раздельной регистрации близких по массам ионов Чувствительность масс-спектрометра - минимальное количество анализируемого вещества, при котором показания прибора превышают уровень шумов не менее, чем в два раза Минимальная концентрация вещества в пробе (до %), минимальное парциальное давление (до Па), минимальное количество пробы (до г и менее).

Блок-схема типичного масс-спектрометра Компьютер Введение пробы Метод ионизации Метод разделения ионов Регистрация 1.Ионизация в газовой фазе: Ионизация электронным ударом (ЭУ, EI) Химическая ионизация (ХИ, CI) 2. Десорбционная ионизация: Полевая десорбция (ПД, FD) Бомбардировка быстрыми атомами (ББА, FAB) Плазменная десорбционная ионизация Лазерная десорбционная ионизация 3. Ионизация при испарении Масс-спектрометрия с термораспылением Масс-спектрометря электрораспылением 1.Магнитный секторный масс-спектрометр 2.Квадрупольный масс-спектрометр 3.Масс-спектрометр с ионной ловушкой 4.Времяпролетный масс-спектрометр 5.Масс-спектрометр с преобразованием Фурье

Метод ионизацииПреимуществаНедостатки Электронный ударВозможность использования поисковых систем и баз данных, структурная информация М+ иногда отсутствует Химическая ионизацияОбычно присутствует ион М+Мало информации о структуре молекулы Полевая десорбцияНелетучие соединенияСпециальное оборудование Бомбардировка быстрыми атомами Нелетучие соединения, информация о порядке соединения фрагментов Мешающее влияние матрицы, трудности в интерпретации Плазменная десорбцияНелетучие соединенияМешающее влияние матрицы Лазерная десорбцияНелетучие соединения, выброс ионов Мешающее влияние матрицы Термическое распыление Нелетучие соединенияВышел из употребления ЭлектрораспылениеНелетучие соединенияОграниченные классы соединений, мало информации о структуре молекулы Методы ионизации

Масс-анализаторДиапазон массПреимуществаНедостатки Магнитный секторный масс- спектрометр Высокое разрешение Низкая чувствительность; Высокая стоимость; Сложен технически Квадрупольный масс-спектрометр Высокая чувствительность; Прост в использовании; относительно недорогой Низкое разрешение, узкий диапазон масс Ионная ловушка1-5000Высокая чувствительность, прост в использовании Низкое разрешение, узкий диапазон масс, бывает дорогой Основные характеристики масс-анализаторов

Масс-спектрометрия с ионизацией электронным ударом Основана на разрушении органической молекулы под действием электронного удара и регистрации массы образующихся осколков Энергия (потенциал) ионизации вещества (Ue) - наименьшая энергия ионизующих электронов, при которой возможно образование из данной молекулы иона Для органических молекул энергия ионизации составляет 9-12 эВ Стандартные масс-спектры ЭУ снимают, используя ионизирующие электроны с энергией 70эВ

Масс-спектрометрия с ионизацией электронным ударом Молекулярный ион - образующийся в результате потери одного электрона катион-радикал Фрагментация - распад молекулярного иона на частицы меньшей массы Фрагментация Молекулярный ион Осколочные ионы Фрагментация Перегруппировочные и метастабильные ионы Задачи Определение молекулярной массы Структурный анализ Идентификация молекулярного иона Анализ результата фрагментации Заряд исходного иона равен единице, отношение m/z -молекулярная масса исследуемого вещества

Масс-спектр – представление относительных концентраций положительно заряженных осколков (включая молекулярный ион) в зависимости от их масс. интенсивность пика зависит от устойчивости образующегося иона

ЭлементИзотоп (естественное содержание, %)Тип элемента Н 1 Н (99.99) 2 Н (0.01)-А С 12 С (98.9) 13 С (1.1)-А+1 N 14 N (99/64) 15 N (0.36)-А+1 O 16 O (99/8) 17 O (0.04)-А+2 F(100)--А Si 28 Si (92/18) 29 Si (4.71) 30 Si (3.12)А+2* P 31 P (100)--А S 32 S (95.0) 33 S (0.76) 34 S (4.2)А+2* Cl 35 Cl (75.8)- 37 Cl (24.2)А+2 Br 79 Br (50.5)- 81 Br (49.5)А+2 Изотопные ионы В масс-спектре появляются пики с массами М+1 и М+2 Если интенсивность пика М+2 составляет менее 3% от интенсивности пика М, соединение не содержит атомов хлора, брома, серы и кремния

Exact Mass: 75,94 Molecular Weight: 76,14 m/z: (100.0%), (9.0%), (1.6%), (1.1%) Exact Mass: 64,01 Molecular Weight: 64,51 m/z: (100.0%), (32.0%), (2.2%) Exact Mass: 107,96 Molecular Weight: 108,97 m/z: (100.0%), (97.3%), (2.2%), (2.2%)

Интерпретация масс-спектров С чего начинать процесс расшифровки? 1.Информация об образце 2.Спектральная база данных 3.Анализ вида спектра: Параметры съемки Наиболее интенсивные пики Характерные группы пиков 4. Установить молекулярный ион Если спектр характеризуется большим числом фрагментов, пики которых имеют все большую интенсивность при движении вниз по шкале масс, скорее всего это алифатическое соединение Редкие интенсивные пики характерны для ароматических структур

Определение молекулярного иона Необходимые условия, которым должен удовлетворять молекулярный ион: 1.Иметь самую большую молекулярную массу в спектре 2.Быть нечетноэлектронным (определение ненасыщенности) 3.Быть способным образовывать важнейшие ионы с большой массой за счет выброса нейтральных частиц 4.Включать все элементы, наличие которых в образце можно увидеть по фрагментным ионам Степень ненасыщенности R (число кратных связей и циклов в ионе): R – целое число, то ион нечетноэлектронный R – дробь, ион четноэлектронный C 5 H 9 N 3 O 2 ClBr: С5H9 + 3CH + 2CH2 + 2CH3 = C12H22 Одновалентные элементы – CH 3 Двухвалентные – СН 2 Трехвалентные – СН Четырехвалентные - С R = (26 – 22)/2 = 2 (Соответствует додекану С12Н26) Ненасыщенность = 2, нечетноэлектронный, может быть молекулярным ионом Расчет ненасыщенности

Определение молекулярного иона Обычно молекулярный ион легко отщепляет: Молекулы CO, CO 2, H 2 O, C 2 H 4, HHal Радикалы Alk., H., Hal., OH. Потери из молекулярного иона от: 5 до 14 или от 21 до 25 а.е.м., приводящие к возникновению интенсивных пиков ионов, крайне маловероятны Например: в масс-спектре самый тяжелый ион 120, следующий за ним – 112. Вывод: ион 120 – не молекулярный, а фрагментный Азотное правило: молекула с четной молекулярной массой либо не содержит азот, либо содержит четное число атомов азота

Фрагментные ионы Все важнейшие фрагментные ионы делятся: 1.Наиболее тяжелые ионы, образующиеся из М +. в результате выброса простейших частиц (важны для установления путей фрагментации) 2.Ионы, характеризующиеся наиболее интенсивными пиками в спектре 3.Характерные серии ионов, различающихся на гомологическую разность Гомологические серии ионов Алкановая серия: 15, 29, 43, 57, 71, 85… Спирты, простые эфиры: 31, 45, 59, 73, 87… Алкилбензолы: 38, 39, 50-52, 63-65, 75-78, 91, 105, 119 Если степень ненасыщенности молекулы или количество функциональных групп велико, значимые серии ионов с низкой массой, отстоящих друг от друга на СН 2 -группу, в спектре отсутствуют

Масс-спектр гексана (молекулярный ион 86) Масс-спектр 2,3-диметилбутана (молекулярный ион 86) Общие правила для предсказания наиболее интенсивных пиков в масс-спектре, полученным с использованием электронного удара 1. Относительная интенсивность пика молекулярного иона максимальна для неразветвленных соединений и уменьшается по мере увеличения разветвленности.

Правило выброса максимального алкильного радикала: Интенсивность пика ионов, образующихся при выбросе максимального радикала – наивысшая, при выбросе минимального радикала - низшая 2. Разрыв связей происходит преимущественно по алкилзамещенным атомам углерода.

3. Насыщенные циклы способны терять боковые цепи при α-связи. Положительный заряд остается на циклическом фрагменте. Масс-спектр пропилциклопентана

4. Распад ароматических алкилзамещенных соединений наиболее вероятен по β-связи относительно цикла. В результате получается бензильный ион или ион тропилия Масс-спектр пропилбензола (молекулярный ион 120 )

Правила интерпретации масс-спектров с ионизацией электронным ударом 5. С увеличением молекулярной массы в гомологическом ряду относительная интенсивность пика молекулярного иона обычно уменьшается. Исключение – сложные эфиры жирных кислот. 6. Двойные связи, циклические структуры и, особенно ароматические (гетероароматические) циклы стабилизируют молекулярный ион. 7. Двойные связи способствую аллильному распаду с образованием аллильного карбокатиона. 8. Следующие за гетероатомом связи С-С часто разрываются, оставляя заряд на содержащем гетероатомом фрагменте. 9. Распад часто сопровождается элиминированием небольших устойчивых нейтральных молекул (СО, СН 2 СН 2, Н 2 О, NH 3 и др.)

Перегруппировки Перегруппировочные ионы образуются в результате внутримолекулярной перегруппировки атомов в процессе фрагментации Перегруппировка Мак-Лафферти (миграция атома водорода) спирты, кетоны, сложные эфиры, амиды, алкилбензолы, алкилгетероциклы, ароматические простые эфиры, виниловые эфиры, олефины из М + с четной м.м. образуется осколочный ион (ОИ) с нечетной м.м. Если из М+ с четной м.м фиксируется ОИ с четной м.м., значит произошла фрагментация с миграцией Н-атома

Некоторые специфические ионы, характеризующиеся интенсивными пиками m/z 77 – фенил m/z 91 – тропилий С 7 Н 7 (бензил) m/z 30 – аминогруппа CH 2 NH 2 m/z 105 – бензоил PhCO m/z 149 исследуемое соединение относится к диалкилфталатам 73,147, 207, 281, 355 и т.д. – следствие выброса фрагментов наиболее распространенных полидиметилсиликоновых фаз хроматографической колонки в источник масс-спектрометра