Спектральные методы исследования строения органических соединений преимущества • 1.Так для проведения классического анализа вещества, который обычно включает такие методы как определение точки кипения или плавления, показателя преломления и растворимости, получения различных производных требуется много времени и большое количество вещества. • 2.Рассматриваемые методы характеризуются быстротой и эффективностью при малых количествах (миллиграммы и микрограммы) вещества. • 3.Кроме того, использование современных физических методов не только сокращает время исследования, но и дает принципиально новую информацию о строении соединений и их свойствах. Масс-спектрометрия • Метод масс-спектрометрии основан на ионизации молекулы органического соединения и последующего разделения ионов по массам. • Если говорить об истории метода, то принцип разделения ионов в магнитном поле был продемонстрирован еще в 1898 году. • К 1918 году развитие метода достигло такой степени, что с его помощью было продемонстрировано существование у неона двух изотопов с массами 20 и 22. К 1942 году масс-спектрометры выпускались серийно. Основы метода Масс-спектрометрию можно рассматривать как совокупность нескольких отдельных процессов: ионизация, разделение ионов по массам и регистрация образующихся ионов. Computer system Sample introduction Ionisation method Ion separation method Detector Ионизация может происходить под действием электронного удара (Electron impact), интенсивного коротковолнового излучения, при столкновении молекулы с возбужденными атомами и ионами (chemical ionization) или в сильном электромагнитном поле. Принцип и характеристики ионизации электронами (электронный удар) • Электронный удар является наиболее распросьраненным методом для генерации ионов для масс-спектрометрии. Образец в газовой фазе бомбардируется потоком электронов с высокой энергией (70 eV). Поскольку потенциал ионизации обычно меньше 15 eV, то такая бомбардировка вызывает образование молекулярного иона, который распадается на фрагменты при разрыве ковалентных связей • Основным элементом при таком методе ионизации является ионизационная камера. Первоначальное давление в камере должно быть очень низким, порядка 10-8 мм. рт. ст. Электроны, испускаемые горячим проволочным катодом, фокусируются вдоль продольной оси камеры и притягиваются к электроду, имеющему потенциал 70 В. • Однако в условиях ионизации ЭУ многие молекулы не образуют стабильных молекулярных ионов или относительная интенсивность его бывает настолько мала, что достоверная идентификация становится невозможной. • Для дополнения структурной информации, получаемой с помощью масс-спектрометрии с ЭУ, может быть использован метод мягкой ионизации, с помощью которого может быть получена информация о молекулярной массе. Для этого используется метод химической ионизации. • При действии пучка электронов молекула может либо терять электрон с образованием положительного ион-радикала: • М+ + е -→ М+ + 2е • Либо захватить электрон и давать отрицательный ион-радикал • М +е → М• При исследовании органических соединений чаще используется масс-спектрометрия положительных ионов, хотя и масс-спектрометрия отрицательных ионов дает полезную информацию. Масс-спектрометрия отрицательных ионов. • Преимущества перед спектроскопией положительных ионов: • 1. Высокая чувствительность к изменению строения молекулярного иона (возможна идентификация изомеров). • 2. Во всех случаях присоединение электрона воздействует главным образом на валентные оболочки, которые и определяют реакционную способность веществ. Поэтому возможна корреляция химического поведения и взаимодействием с электронов при измерении спектра отрицательных ионов. • Недостатки: плохая воспроизводимость из-за возможности образования отрицательных ионов за счет других явлений кроме ионного источника Cхематическая диаграмма двухфокусного массанализатора. (магнитное поле перпендикулярно рисунку) Lens stack Sample introduction Ionization source N B0 Collector slits Computer Detector Magnet Sector Б.Квадрупольные масс-спектрометры Масс-спектр Типы ионов • • • • • • • • Молекулярный ион Молекула с положительным зарядом, полученным за счет отрыва одного электрона. Относительная интенсивность пика молекулярного иона связана с его стабильностью, которая, в свою очередь, зависит от структуры молекулы. Основной или максимальный Ион, интенсивность которого в спектре максимальна. Основной ион представляет собой наиболее стабильный ион в масс-спектре, а его масса представляет существенную ценность для идентификации. Этот ион может быть молекулярным или фрагментным. Фрагментный Образуется при разрыве связей с одновременной миграцией атомов. • • • • • • • 4. Двухзарядный Ионы имеющие двойной положительный заряд за счет потери двух электронов. Регистрируются как ионы с массой , в два раза меньшей Двухзарядные ионы также информативны, так как они образуются при ионизации определенных классов органических соединений. Соединения с большой молекулярной массой и тяжелые ароматические соединения образуют многочисленные двухзарядные ионы. Метастабильный Ион, с массой м1, попадающий на коллектор, будет зарегистрирован с той же массой. Если этот ион превратится в ион м2 не в камере, а на пути следования в коллектор, то он уже не будет зарегистрирован ни как м1, ни как м2 , так как он отличается по скорости движения от этих ионов. Большинство этих ионов рассеивается и составляет фон масс-спектра, и только те из них, которые образовались в узком пространстве перед входом в магнитный анализатор, имеют достаточную интенсивность для регистрации с кажущейся массой м*=(м2)2/м1. Это и есть метастабильные ионы, которые отличаются уширенными пиками низкой интенсивности и часто нецелочисленным значением м/е. Интерпретация масс-спектров • 1.Определение молекулярной массы вещества • 2.Определение молекулярной формулы. • Определение молекулярной формулы по интенсивностям пиков изотопных ионов. • Обычно в масс-спектре любого органического соединения наряду с пиком молекулярного иона появляются также пики с массами М+1 и М+2, что связано с изотопным составом элементов, входящих в органическое соединение. Элементы, имеющие низкий процент содержания тяжелых изотопов, но 1. число их атомов в молекуле велико: : 13 С 1.08 (%) С 100 % 2 1 Н 0,016 Н 100% 15 14 N 0,38 N 100% 17 16 О 0,04 % 18О 0,20% О 100% Элементы, имеющие высокий процент содержания тяжелых изотопов, но число их атомов в молекуле, как правило, невелико 36 33 S 0,018 S 100 % 33S 0,78 34S 4,4 30 29 28 Si 3,35% Si 5,10 Si 100% 37 35 Cl 32,5 % Cl 100% 81 79 Br 98б0% Br 100% 12 2. • • • • • Моноизотопные элементы 19F 127I 100 % 31P100% 100% Таким образом, молекулярные ионы соединений, имеющих даже очень большое число атомов C, H, N, O дают фактически два пика за счет вклада основных изотопов и изотопов, имеющих на 1 единицу большую массу (в основном от 13С). Интенсивность изотопного пика определяется числом атомов в молекуле. Предположим, что соединение содержит 1 атом углерода. Тогда на каждые 100 молекул, содержащих атом 12С 1,08 молекул содержат атом 13С и эти молекулы дадут пик с массой М+1 с интенсивностью около 1,08% к интенсивности пика молекулярного иона. Наличие атомов 2Н дает незначительный вклад в пик М+1. Если соединение содержит 1 атом серы, то в масс-спектре будет наблюдаться пик М+2 с интенсивностью 4,4% интенсивности пика молекулярного иона. Масс-спектр п-хлорбензофенона Показатель водородной ненасыщенности Для обобщенной молекулярной формулы IyIInIIIzIVx где 1 – может быть H, F, Cl, Br, I, D или любой одновалентный атом II – может быть S, O или любой двухвалентный атом III – может быть N, P или любой трехвалентный атом IV – может быть C,Si или любой четырехвалентный атом. показатель водородной ненасыщенности равен: x-y/2+z/2+1 Эту формулу можно применять к молекулам, молекулярным ионам и осколкам. В качестве примера рассмотрим молекулярную формулу С13H9N2O4BrS 13-10/2+2/2+1+10, а структурная формула: Br NO2 S O2N Анализ структуры соединений • • • • .Фрагментация Определение структуры органического соединения основывается на изучении пиков осколочных ионов. В принципе возможен разрыв любой связи в молекулярном ионе, но вероятность разрыва и, следовательно, интенсивность пика соответствующего осколочного иона будут зависеть от энергии связей. Вероятность разрыва данной связи обусловлена прочностью связи, вероятностью переходов с низкой энергией и стабильностью как заряженных частиц, так и незаряженных осколков, образовавшихся в процессе фрагментации. Например, разрыв одинарных связей происхлдитбыстрее, чем разрыв кратных, связи С-С разрываются легче, чем С-Н. Относительная интенсивность пика соответствующего осколочного иона зависит от его собственной устойчивости, от стабильности образующегося одновременно ним радикала или нейтральной частицы. Таким образом, основные пути фрагментации определяются характером связей в молекуле и стабильностью образующихся частиц. Общие правила 1. Для неразветвленных соединений относительная интенсивность молекулярного иона максимальна и понижается по мере увеличения разветвленности. 2. С увеличением молекулярного веса в гомологическом ряду относительная интенсивность молекулярного иона обычно уменьшается (исключение – эфиры жирных кислот). 3.Распад идет преимущественно по разветвленным атомам углерода. Чем больше разветвление, тем вероятнее распад. Это результат повышения стабильности третичного карбониевого иона по сравнению со вторичным, который в свою очередь, стабильнее первичного. R-C-]+ R. + -C Порядок стабильности катионов: СH3 < R’CH2< R’2CH 4. Двойные связи, циклические структуры и особенно ароматические (или гетероароматические) циклы стабилизируют молекулярный ион и таким образом, повышают вероятность его появления. 5. Двойные связи способствуют аллильному распаду и дают резонансно-стабилизированный аллильный карбониевый ион 6. Насыщенные циклы имеют тенденцию терять боковые цепи при -связи. Это просто особый случай разветвления (правило 3). Положительный заряд остается на фрагменте цикла. Ненасыщенные циклы могут подвергаться ретродиеновому распаду. + + + 7.Распад ароматических алкилзамещенных наиболее вероятен по -связи относительно цикла. В результате получается резонансно стабилизированный бензил-ион или, скорее всего тропилий-ион. 8.Связи С-С, следующие за гетероатомом, часто разраваются, оставляя заряд на фрагменте, содержащем гетероатом, несвязывающие электроны которогоообеспечивают резонансную стабилизацию. 9.Распад часто связывается с удалением небольших стабильных нейтральных солекул. Таких как СО (моноокись углерода), олефины, вода, аммиак, Цианистый водород, меркаптаны, спирты. Перегруппировки Перегруппировочные ионы представляют собой осколки, происхождение которых нельзя описать простым разрывом связей в молекулярном ионе. Они получаются в результате внутримолекулярной перегруппировки в процессе фрагментации. Особенно широко распространены перегруппировки, включающие миграцию атомов водорода в молекулах, содержащих гетероатом. Одним из примеров является перегруппировка Мак-Лафферти. O Y H C H2 CR2 -R2C=CH2 O CH2 Y H CH2 Y=H, R, OH, OR, NR2 O Y H O CH2 Y H CH2 Углеводороды В насыщенных углеводородах с неразветвленной цепью всегда присутствует пик молекулярного иона (М), хотя в соединениях с длинной цепью он имеет низкую интенсивность. Тип фрагментации характеризуется группами пиков (кластерами), причем соответствующие пики в каждой группе отличаются на 14 ат. Ед.м. (СН 2). Наибольший пик в каждой группе соответствует франгменту СnH2n-1. Наиболее интенсивными фрагментами являются С3 и С4. Циклоалканы Насыщенные циклы в углеводородах повышают относительную интенсивность пика молекулярного иона, а также благоприятствуют расщеплению по связи, соединяющей цикл с остальной частью молекулы. Фрагментация цикла обычно характеризуется потерей двух атомов углерода в виде С2Н4 (м/е 28) С2Н5 (29). Олефины • В масс-спектрах олефиновых углеводородов молекулярные пики интенсивны. • Наиболее интенсивные пики осколочных ионов соответствуют разрыву по -связи. Подобно насыщенным углеводородам, ациклические олефины характеризуются группами пиков с интервалами в 14 а.е. • В спектрах этиленовых углеводородов содержится много перегруппировочных пиков, то корреляция масс-спектров со структурой олефинов затруднена. Также следует отметить, что под действием электронного удара может происходить миграция двойной связи, поэтому по масс-спектру нельзя определить положение двойной связи. Алкилбензолы Ароматическое кольцо стабилизирует молекулярный ион и поэтому интенсивность пика молекулярного иона большая. Поэтому можно использовать для точного определения пиков М+1 и М+2. Характерный пик (часто максимальный пик) с м/е 91 (С6Н5СН2+) указывает на алкилзамещенное бензольное кольцо. Чаще всего ион с массой 91 имеет строение тропилиевого катиона. H H H3C + + -CH3 + H3C H3C Часто наблюдается пик при м/е 65 появляется в результате элиминирования нейтральной молекулы ацетилена из тропилиевого иона: -HC=CH + + C5H5+ Гидроксилсодержащие соединения Пик молекулярного иона первичных или вторичных спиртов очень небольшой, а для третичных спиртов вообще неразличим. Для получения пика молекулярного иона можно использовать приемы упомянутые ранее. Разрыв связи С-С вблизи атома кислорода – общее явление. Так, первичные спирты показывают характерный пик, обусловленный ионом СН2=ОН (м/е 31). Вторичные и третичные спирты расщепляются аналогично, давая характерный пик, связанный соответственно с ионом R (m/e 45, 59,73) OH H R R OH (m/e 59,73,87) Первичные спирты, кроме основного разрыва связи С-С около атома кислорода дают пики, получающиеся в результате разрыва связей С-С удаленных от атома кислорода. Амины Пик молекулярного иона малоинтенсивен. Основной пик часто обусловлен разрывом С-С связи, для первичных аминов это пик с м/е 30 (СН 2NH2) R-CH2-NH2+ R + CH2NH2+ Пик молекулярного иона ароматических аминов интенсивен, наблюдается пик М-1, а отрыв нейтральной молекулы HCN и затем отрыв атома водорода дает характерные ионы с м/е 66 и 65 соответственно.