Файл: Mass-spectr_END.doc

Данный метод принципиально отличается от рассмотренных выше спектроскопических методов. Структурная масс-спектрометрия основана на разрушении органической молекулы в результате ионизации тем или иным способом.

Образующиеся ионы сортируются по величинам их отношения масса/заряд (m/z), затем регистрируется число ионов для каждого значения этого отношения в виде спектра. На рис. 5.1. представлена общая схема типичного масс-спектрометра.

Рис. 5.1. Блок-схема типичного масс-спектрометра

Для ведения пробы в масс-спектрометр обычно применяют какой-либо вид хроматографии, хотя во многих приборах есть возможность для прямого ввода образца в ионизационную камеру. Во всех масс-спектрометрах имеются устройства для ионизации пробы и разделения ионов по величине m/z. После разделения нужно детектировать ионы и измерять их количество. Типичный коллектор ионов состоит из коллимирующих щелей, которые направляют в коллектор в данный момент только ионы одного вида, где они детектируются, а сигнал детектирования усиливается электронным умножителем. Современные масс-спектрометры укомплектованы специализированным программным обеспечением: компьютеры контролируют накопление, хранение и визуализацию данных.

В настоящее время стала обычной практика объединения масс-спектрометра с газовым (ГХ-МС) или жидкостным (ЖХ-МС) хроматографом.

Все масс-спектрометры подразделяются на два класса: приборы низкого (единичного) и высокого разрешения (R). Спектрометры низкого разрешения – приборы, на которых можно разделить целые массы до m/z 3000 (R = 3000/(3000-2990) = 3000). На таком приборе соединения C₁₆H₂₆O₂ и С₁₅Н₂₄NO₂ неразличимы, поскольку прибор будет фиксировать и в первом и во втором случае массу 250.

Приборы высокого разрешения (R = 20000) смогут различить соединения C₁₆H₂₆O₂ (250.1933) и С₁₅Н₂₄NO₂(250.1807), в этом случае R = 250.1933/(250.1933 – 250.1807) = 19857.

Таким образом, на приборах низкого разрешения можно устанавливать структурную формулу вещества, однако зачастую для этой цели дополнительно необходимо привлекать данные других методов анализа (ИК-, ЯМР-спектроскопия).

Приборы высокого разрешения могут измерять массу иона с точностью, достаточной для определения атомного состава, т.е. определять молекулярную формулу исследуемого вещества.

В последнее десятилетие происходило быстрое развитие и совершенствование масс-спектрометров. Не обсуждая их устройство, отметим, что они подразделяются по типам в зависимости от 1) способа ионизации, 2) метода разделения ионов. В общем, способ ионизации не зависит от метода разделения ионов и наоборот, хотя имеются исключения. Более полная информация по данным вопросам изложена в литературе [Сайнсб. Лебедев].

В данном пособии будут рассмотрены масс-спектры, полученные ионизацией электронным ударом.

5.2. Масс-спектры с ионизацией электронным ударом

Электронный удар (ЭУ, electron impact, EI) – наиболее распространенный метод ионизации в масс-спектрометрии. Преимуществом этого метода является возможность использования поисковых систем и баз данных (метод ЭУ был исторически первым методом ионизации, основные базы экспериментальных данных получены на приборах с ЭУ).

Молекула вещества пробы в газовой фазе подвергается бомбардировке электронов с высокой энергией (обычно 70 эВ) и выбрасывает электрон, образуя катион-радикал, называемый молекулярным ионом:

М + e → М⁺• (молекулярный ион) + 2e

Наименьшая энергия бомбардирующих (ионизующих) электронов, при которой возможно образование из данной молекулы иона, называется энергией (или, менее удачно, «потенциалом») ионизации вещества (U_e).

Энергия ионизации является мерой прочности, с какой молекула удерживает наименее сильно связанный с ней электрон.

Как правило, для органических молекул энергия ионизации составляет 9-12 эВ, поэтому бомбардировка электронами с энергией 50 эВ и выше сообщает избыточную внутреннюю энергию возникающему молекулярному иону. Эта энергия частично рассеивается за счет разрыва ковалентных связей.

В результате такого разрыва происходит распад молекулярного иона на частицы меньшей массы (фрагменты). Такой процесс называется фрагментацией.

Фрагментация происходит избирательно, является высоковоспроизводимой и характеристичной для данного соединения. Более того, процессы фрагментации предсказуемы, и именно они обуславливают широкие возможности масс-спектрометрии для структурного анализа. По-сути, структурный анализ методом масс-спектрометрии заключается в идентификации осколочных ионов и ретроспективном восстановлении структуры исходной молекулы, исходя из направлений фрагментации молекулярного иона. Так, например, метанол образует молекулярный ион по схеме:

Одна точка – оставшийся нечетный электрон; когда заряд локализован на отдельном атоме, знак заряда указывается на этом атоме.

Многие из этих молекулярных ионов распадаются за время 10^-10 – 10^-3 с и дают ряд осколочных ионов (первичная фрагментация):

Каждый из образовавшихся фрагментов далее сам может распадаться на еще более мелкие фрагменты (вторичная фрагментация).

Если некоторые из молекулярных ионов имеют достаточно большое время жизни, то они достигают детектора и регистрируются в виде пика молекулярного иона. Поскольку заряд исходного иона равен единице, отношение m/z для этого пика дает молекулярную массу исследуемого вещества.

Таким образом, масс-спектр – это представление относительных концентраций положительно заряженных осколков (включая молекулярный ион) в зависимости от их масс.

В специальной литературе приводятся таблицы наиболее часто встречающихся фрагментных ионов, где указана структурная формула иона и его значение m/z [Преч, Гордон, Сильверстейн].

Высота наиболее интенсивного в спектре пика принимается за 100%, а интенсивности других пиков, включая пик молекулярного иона, выражаются в процентах от максимального пика.

В определенных случаях самым интенсивным может быть и пик молекулярного иона. В общем случае: интенсивность пика зависит от устойчивости образующегося иона.

В масс-спектрах часто присутствует серия пиков фрагментных ионов, различающихся на гомологическую разность (СН₂), т.е. 14 а.е.м. Гомологические серии ионов характерны для каждого класса органических веществ, а потому они несут важную информацию о структуре исследуемого вещества.

Таблица 5.1

Гомологические серии ионов некоторых классов органических соединений

Класс соединения	Формула	m/z
алканы	C_nH_2n+1	15, 29, 43, 57, 71, 85…
алкены, нафтены	C_nH_2n_-1	27, 41, 55, 69, 83…
алкины, диены	C_nH_2n_-3	25, 39, 53, 67, 81…
спирты, простые эфиры	C_nH_2n+1O	31, 45, 59, 73, 87…
альдегиды, кетоны	C_nH_2n_-1O	29. 43, 57, 71, 85…
кислоты, сложные эфиры	C_nH_2n_-1O₂	45, 59, 73, 87, 101…
амины	C_nH_2n+₂N	30, 44, 58, 72, 86, 100…
нитрилы	C_nH_2n_-2N	40, 54, 68, 82, 96…
алкилбензолы		38, 39, 50-52, 63-65, 75-78, 91, 105, 119…

Обычно в масс-спектре любого органического соединения появляются пики с массами М+1 и М+2, что связано, с изотопным составом элементов, входящих в органическое соединение. Для удобства элементы называются А, А+1, А+2 в зависимости от того, какой изотоп они имеют помимо основного. Ниже приведены данные по изотопному составу наиболее часто встречающихся элементов.

Таблица 5.2

Изотопный состав некоторых элементов

Элемент	Изотоп (естественное содержание, %)			Тип элемента
Н	¹Н (99.99)	²Н (0.01)	-	А
С	¹²С (98.9)	¹³С (1.1)	-	А+1
N	¹⁴N (99/64)	¹⁵N (0.36)	-	А+1
O	¹⁶O (99/8)	-	¹⁸O (0.04)	А+2
F	¹⁹F (100)	-	-	А
Si	²⁸Si (92/18)	²⁹Si (4.71)	³⁰Si (3.12)	А+2*
P	³¹P (100)	-	-	А
S	³²S (95.0)	³³S (0.76)	³⁴S (4.2)	А+2*
Cl	³⁵Cl (75.8)	-	³⁷Cl (24.2)	А+2
Br	⁷⁹Br (50.5)	-	⁸¹Br (49.5)	А+2
I	¹²⁷I (1000	-	-	А

*Содержание изотопов ³⁰Si и ³⁴S невелико, поэтому кремний и сера относятся к А+2-элементам

Соотношение интенсивностей пиков М, М+1 и М+2 зависит от элементного состава, от числа атомов данного элемента в молекуле и от естественного содержания более тяжелого изотопа этого элемента. Так, для углеводородов наиболее существенный вклад в изотопные пики дает изотоп ¹³С. Для метана интенсивность пика М+1 составит 1.1% пика молекулярного иона, для углеводорода с четырнадцатью углеродными атомами вероятность включения изотопа ¹³С увеличивается, поэтому интенсивность М+1 = 14 • 1.1 = 15.4% молекулярного пика.

Для определения числа атомов углерода в молекуле по масс-спектру необходимо разделить интенсивность пика М+1 в процентах от М на 1.1. Например, в спектре наблюдается молекулярный ион, интенсивность пика М – 66.5%, интенсивность М+1 2.29%. Находим интенсивность пика М+1 по отношению к М в процентах:

66.5 – 100%

2.29 – х%

х = 3.44 %

Находим максимальное число атомов углерода: 3.44 : 1.11 = 3.

Необходимо учитывать, что в случае присутствия в молекуле нескольких атомов (А+2)-элементов в спектре могут появиться интенсивные пики М+4 и М+6 и т.д. Более детально этот вопрос изложен в [Лебедев. Сильверсейн].

Существует простое правило: «Если интенсивность пика М+2 составляет менее 3% от интенсивности пика М, соединение не содержит атомов хлора, брома, серы и кремния».

Хлор, бром, сера и кремний хорошо идентифицируются масс-спектрометрией, благодаря характерной для каждого элемента мультиплетности сигнала (рис. 5.1).

Важно помнить, масс-спектры, полученные на приборе единичного разрешения далеко не всегда позволяют адекватно оценить мультиплетность сигнала (по сути, элементный состав).

Надежная интерпретация мультиплетности сигнала возможна только при получении масс-спектра на приборе высокого разрешения. Собственно, на этом и основана методика определения элементного состава методом масс-спектрометрии. Использование масс-спектрометрии для установления элементного состава вещества хорошо освещено в литературе [Лебедев, Сильверстейн]