Масс-спектрометрия

Физико-химические методы исследования
биологически активных веществ
Лекция №8
Масс-спектрометрия
• Общие положения метода массспектрометрии
• Основные правила и подходы к
интерпретации масс-спектров
– Концепция стабильности ионов и
нейтральных частиц
Масс-спектрометрия
Общие положения метода
Структурная масс-спектрометрия основана на разрушении органической
молекулы под действием электронного удара и регистрации массы
образующихся осколков
Наименьшая энергия бомбардирующих (ионизующих) электронов, при
которой возможно образование из данной молекулы иона, называется
энергией (потенциалом) ионизации вещества (Ue)
Энергия ионизации является мерой прочности, с какой
молекула удерживает наименее сильно связанный с ней
электрон
М + e → М+• + 2e
М + e → М+• + 2e
Для органических молекул энергия
ионизации составляет 9-12 эВ
Стандартные масс-спектры ЭУ принято снимать, используя
ионизирующие электроны с энергией 70эВ
Общие положения метода
Образующийся в результате потери одного электрона катионрадикал называется молекулярным ионом
Фрагментация - распад молекулярного иона на частицы меньшей массы
Фрагментация молекулярного иона приводит:
1) к образованию других ион-радикалов
2) к образованию нейтральных молекул
3) к внутримолекулярным перегруппировкам
Чаще всего масс-спектрометрия используется для решения двух задач:
определение молекулярной массы
идентификация
молекулярного иона
исследование строения молекулы
распад молекулярного иона и
анализ образующихся фрагментов
Масс-спектр гексана (молекулярный ион 86)
В общем случае интенсивность пика (в том
числе и молекулярного) зависит от
устойчивости образующегося иона
Элемент
Изотоп (естественное содержание, %)
Н
1Н
С
12С
(98.9)
13С
(1.1)
-
N
14N
(99/64)
15N
(0.36)
-
O
16O
(99/8)
17O
(0.04)
-
F
19F
(100)
-
-
P
31P (100)
-
-
S
32S
33S
Cl
35Cl
(75.8)
-
37Cl
(24.2)
Br
79Br
(50.5)
-
81Br
(49.5)
I
127I
-
-
(99.99)
(95.0)
(1000
2Н
(0.01)
(0.76)
В масс-спектре появляются
пики с массами М+1 и М+2
-
34S
(4.2)
Основные правила и подходы к интерпретации
масс-спектров
Наиболее признанные качественные теории масс-спектрометрического
распада:
1. Концепция стабильности ионов и нейтральных частиц
2. Концепция локализации заряда и неспаренного электрона
1. Концепция стабильности ионов и нейтральных частиц
Эффективность фрагментации определяется устойчивостью
образующихся продуктов
1.1 Правило выброса максимального алкильного радикала
C4H9
C3H7
C
OH
-C2H5
C4H9
C3H7
C2H5
OH
-C3H7
C4H9
m/z 129
-C4H9
I 78%
C2H5
CH
C 3 7
OH
m/z 101 I 100%
C H
C 2 5
OH
Интенсивность пика
ионов, образующихся
при выбросе
максимального
m/z 115 I 85%
радикала –
наивысшая, при
выбросе
минимального
радикала - низшая
1.2 Правило Стивенсона (Стивенсона-Одье)
При распаде молекул под действием электронного удара
положительный заряд локализуется на фрагменте, обладающем
наименьшей энергией ионизации
ABXY+
AB+ + XY
O+
.
CH2=CH2+
.
энергия ионизации
10.5 эВ
AB + XY+
+
CH2O
энергия ионизации
10.8 эВ
Соединение AB-XY
ЭИ (АВ)
I, (% к
макс.)
АВ+
ЭИ (XY)
I, (% к макс.)
XY+
HOCH2-CH2NH2
7.6
2.3
6.2
100
(CH3)2CH-CH2OH
7.55
100
7.6
67
(CH3)3C-CH2OH
6.93
100
7.6
7.4
Если разница в ЭИ альтернативных радикалов > 0.3 эВ , пик иона с
наименьшей ЭИ доминирует в спектре
1.3 Правила распада четноэлектронных ионов
Четноэлектронные ионы распадаются в основном с выбросом молекул, а
не радикалалов, т.е. из катионов образуются прежде всего катионы, а не
катион-радикалы
1.4 Прочность химических связей
Энергия связей в органических
молекулах 2 - 4 эВ
Энергия ионизации 6-12 эВ
Влияние ЭИ фрагментов
на интенсивность пиков
(пр. Стивенсона)
менее прочная
Cl
Br
- Cl
- Br
Br
ЭИ
Cl
=
ЭИ
Интенсивность пика
в 8 раз больше
1.5 Структурные и стереохимические факторы
Увеличение внутренней энергии
R
Cl
-R
M
приводит к уменьшению
количеств перегруппировок
высокая интенсивность
Cl
Разветвления углеводородной цепи снижают конкурентоспособность процесса
H
R
H
R
H
- RCHCH2
CH2
При наличии разветвлений в алкильной цепи или заместителей в обоих
орто-положениях процесс подавляется
1.6 орто-Эффект
Спектры орто-замещенных ароматических соединений отличаются от
их мета- и пара-изомеров
OH
Интенсивный пик, отсутствующий
в мета- и пара-изомерах
O
- ROH
OR
C
O
O
OH
CH2
- H2O
H
CH2
C2H5
CH3
X
X
XH
O
O
X = O, NH
CH2
O