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