Определение элементного состава методом измерения массы

Масс-спектрометр позволяет определить молекулярную формулу (элементный состав) соединения. Метод основан на измерении разности масс ионов в сочетании с известными дефектами масс ядер изотопов в исследуемых системах. Для этого необходимо измерить (определить) массы с точностью порядка миллионных долей. При точности определения ±10 миллионных долей каждой измеренной массе иона соответствует практически единственно возможный элементный состав, который можно найти в справочных таблицах. Элементный состав молекулярного иона дает точную молекулярную формулу вещества. Метод применим также ко всем осколочным ионам, определение элементного состава которых позволяет уточнять пути фрагментации молекулярных ионов.

При установленной молекулярной формуле (брутто-формуле), можно рассчитать число эквивалентов двойной связи в соединении. Для этого пользуются понятием формальной ненасыщенности. Для углеводородов с формулой C_uH_v формальная ненасыщенность R (число эквивалентов двойной связи) равна половине числа атомов водорода, которое нужно добавить к формуле соединения, чтобы получился насыщенный углеводород с тем же числом атомов углерода в молекуле:

 

(12)

 

При этом один цикл в структуре молекулы эквивалентен одной двойной связи, одна тройная связь - двум двойным связям.

В общем случае число эквивалентов двойной связи для соединения состава: C_uH_vN_wO_xS_yG_z, где G - какой-либо галоген, определяется формулой:

 

(13)

 

Например, для соединения С₆Н₅Вг R = 4. Это может отвечать молекуле бромбензола, которая содержит один цикл и три двойных связи. Принимая во внимание значение R, составы осколочных ионов, а также учитывая при необходимости данные ИК-, УФ- и ЯМР-спектроскопии, можно составить предполагаемую структурную формулу.

Определение элементного состава c использованием интенсивности изотопных пиков. В случае масс-спектрометрии среднего разрешения заключение об элементном составе исследуемого соединения можно сделать путем анализа интенсивностей группы линий молекулярного иона М⁺ (М+1)⁺ , (М+2)⁺ и т.д., поскольку интенсивности изотопных пиков определяются элементным составом молекул. Возможности этого подхода ограничены. Он позволяет установить молекулярную формулу с достаточной точностью только для соединений, которые включают не более 10-12 атомов углерода. Рассмотрим, как это делается практически на конкретном примере.

Предположим, что молекулярные ионы состоят только из атомов легких изотопов, которые являются обычно более распространеными. Обозначим массу молекулярного иона через М, и рассчитаем интенсивности изотопных пиков на примере молекулы бензола С₆Н₆. В ее состав могут входить тяжелые изотопы ¹³С и ²Н. Отношения содержания этих изотопов (распространенности) в природе составляют: ¹³С : ¹²С » 1,1^.10^-2 и ²Н : ¹Н » 1,6^.10^-4. Согласно теории вероятностей и комбинаторики, вероятность вхождения в состав молекулы С₆Н₆ одного атома ¹³С или одного атома ²Н равна, соответственно, 6^x0,011 = 0,066 и 6^x0,00016 = 0,00096. Интенсивность пика (М+1)⁺ по отношению к интенсивности пика М⁺, принимаемой за 100%, представляет сумму интенсивностей изотопных пиков, обусловленных вкладами обоих изотопов, т.е:

 

I(М + 1)/I(М) » (0,066 + 0,00096)^x100 = 6,61 %.

Появление пика (М+2)⁺ может быть связано с присутствием в молекуле С₆Н₆ двух атомов ¹³С, либо двух атомов ²Н, либо одновременно одного атома ¹³С и одного атома ²Н. Изотопный вклад в относительную интенсивность пика (М+2)⁺ от присутствия двух атомов ¹³С определяется произведением числа сочетаний из 6 по 2, т.е. (6^x5)/(1^x2) = 15, на квадрат относительной распространенности С, т.е. на (0,011)² . Аналогично, изотопный вклад от присутствия двух атомов ²Н равен 15^x(0,00016)². Вклад от одновременного присутствия атомов ¹³С и ²Н определяется произведением рассчитанных выше вероятностей присутствия их в молекуле бензола поодиночке, т.е. 6^x0,011 ^x 6^x0,00016. Суммарная интенсивность пика (М+2)⁺ по отношению к интенсивности пика М⁺ (в %) равна:

 

I(М+2)/I(М) » [15^x(0.011)² + 15^x(0,00016)² + 6^x0,011 ^x 6^x0,00016] ^x 100 = 0,19%.

 

Для составления брутто-формул органических соединений, содержащих только атомы С, Н, О и N, пользуются справочными таблицами Бейнона. В них для каждого массового числа вплоть до 250 приведены возможные комбинации атомов указанных элементов и рассчитанные для них интенсивности пиков ионов (М+1)⁺ и (М+2)⁺. Эти таблицы ограничены соединениями, в которых число атомов азота или кислорода не более 4, а суммарное их количество - не более 6. Рассчитав по масс-спектру вещества отношение интенсивностей изотопных пиков, с помощью таблиц можно определить наиболее вероятные брутто-формулы первичного или осколочного ионов.

Аналогично описанному выше методу можно рассчитывать интенсивности изотопных пиков (М+3)⁺, (М+4)⁺ и т.д. Обычно это требуется в случае присутствия в молекуле атомов элементов со значительным содержанием тяжелых изотопов, например Br, S. Для таких же атомов как С, Н, О и N, распространенность тяжелых изотопов невелика, и интенсивность изотопных пиков с ростом массы очень быстро падает.

У серы, хлора и брома наиболее распространенные изотопы отличаются по массе на 2 а.е.м. Поэтому соединения, содержащие перечисленные элементы, имеют весьма характерные масс-спектры. Анализируя массовые числа и интенсивности изотопных пиков в области молекулярного иона, можно легко определить число атомов хлора, брома и серы в молекуле. Все сказанное об изотопных пиках справедливо не только для молекулярных, но и для любых других видов ионов, которые наблюдаются в масс-спектре.

Определение структурной формулы

Информация, полученная при рассмотрении пиков молекулярных ионов должна быть дополнена изучением распределения интенсивностей между пиками в остальной части масс-спектра. Принцип построения структуры молекулы состоит в том, что осколочные пики вначале относят к осколкам вполне определенного строения, и только после этого найденные фрагменты пытаются сложить в завершенную молекулярную структуру.

Вначале выделяют главные (наиболее интенсивные) пики осколочных ионов, и устанавливают основные направления распада. Как правило, интенсивности главных пиков осколочных ионов всегда находятся в соответствии с общими химическими представлениями о структуре исходной молекулы, и весьма плодотворной оказывается классификация масс-спектров на основе функциональных групп, присутствующих в соединениях. Если, например, предполагается, что неизвестное соединение является кетоном, то масс-спектр следует рассмотреть по признакам, характерным для направления распада кетонов. Часто при этом оказывается возможным учесть влияние структурных изменений в молекуле на поведение функциональных групп при распаде молекулярных ионов, что дает ценную дополнительную информацию.

Характерным структурным осколкам исследуемой молекулы в масс-спектре соответствуют характеристические пики, и наличие в спектре иона с подходящим значением т/е может служить хорошим подтверждением определенной структурной особенности. Если в масс-спектре обнаруживают несколько характеристических пиков, то, в сочетании с предварительным анализом молекулярных пиков, можно во многих случаях практически однозначно определить структуру молекулы анализируемого соединения. Так, ион с т/е 43 часто указывает на присутствие в молекуле группы СН₃С(О). Высокохарактеристическим ионом с т/е 91 является перегруппировочный тропилиевый ион [С₇Н₇]⁺, который указывает на наличие в молекуле либо бензильной группировки, либо структурного фрагмента, который легко перегруппировывается с образованием иона [С₇Н₇]⁺ . Для спиртов, простых эфиров и ацеталей характеристическим является ион с т/е 31 состава [СН₂=ОН]⁺; для аминов, особенно первичных, характеристичен ион состава [CH₂=NH₂]⁺ с т/е 30 и т.д.

Образование осколочных ионов обычно сопровождается перегруппировочными процессами, т.е. структура исходной молекулы может существенно нарушаться при ионизации. Например, присутствие иона с т/е 43 позволяет предполагать, что в молекуле может быть группа СН₃С(О)-, но в масс-спектрах многих кислородсодержащих соединений, не содержащих этой группы, наблюдаются интенсивные пики с тем же значением т/е 43. Интенсивные пики с т/е 43 присутствуют также в масс-спектрах многих алифатических углеводородов. Аналогично, интенсивные пики с т/е 31, кроме спиртов, простых эфиров и ацеталей, характеристичны также для фтор- и фосфорсодержащих соединений. Поэтому наиболее ценным оказывается использование характеристических пиков при исследовании органических соединений одного класса. Характеристические пики в масс-спектрах играют важную роль при установлении строения таких природных соединений, как пептиды, стероиды, индольные алкалоиды и др.

Следует отметить, что обычно для всех органических веществ, кроме содержащих в молекуле нечетное число атомов азота, осколочные ионы с нечетными значениями масс соответствуют четно-электронным осколкам, которые образуются при простом разрыве связи. Осколочные же ионы с четными значениями масс отвечают нечетно-электронным осколкам, которые возникают при разрыве нескольких связей, т.е. присутствие в масс-спектре интенсивных осколочных пиков с четными значениями т/е указывает на протекание перегруп-пировок. В этом случае необходимо учитывать, что некоторые осколочные ионы могут образоваться из перегруппированных предшествующих ионов.

В силу закона сохранения заряда и спина, при распаде молекулярных ионов образуются не только осколочные ионы, но и нейтральные фрагменты, такие как атомы О, F, радикалы СН₃, ОН, С₂Н₅, СНО, СН₃О, СН₃СО, С₃Н₇, молекулы Н₂О, HF, С₂Н₂, HCN, СО, С₂Н₄, СН₂О, СО₂, и ряд других. По виду нейтральных частиц, отщепляющихся от молекулярного иона, также можно сделать выводы о структуре исследуемого соединения. Для выявления этих частиц (называемых иногда характеристическими потерями) находят разности масс молекулярного и ближайших к нему осколочных ионов,. С той же целью можно находить разности масс двух осколочных ионов не только по соседним, но и по удаленным пикам.

Характеристические ионы и характеристические потери позволяют судить о классе соединения и о наличии тех или иных функциональных групп. Существуют подробные таблицы характеристических осколочных ионов и разностей масс молекулярного и осколочных ионов, охватывающие интервал массовых чисел осколочных ионов от 15 до 200 и более. С помощью этих таблиц производится приблизительное установление структурных формул. Построение таких таблиц сходно: для каждого значения т/е или ΔМ приводятся списки возможных классов органических соединений, групп изомеров или просто отдельных соединений, в спектрах которых наблюдается появление пика данного осколочного иона или потеря молекулярным ионом незаряженной частицы с указанным массовым числом.

Пики метастабильных ионов в масс-спектрах значительно упрощают определение структурной формулы, поскольку по ним можно точнее установить, каким структурным элементам соответствует данная разность масс. Например, в масс-спектре этилбензола, наряду с молекулярными ионами М⁺ (т/е 106), наблюдаются интенсивные осколочные пики (М-15)⁺ (т/е 91) и (М-41)⁺ (т/е 65). Наличие также метастабильных ионов с т/е 78,1 и с т/е 46,4 подтверждает предполагаемый путь распада: М⁺ à (М - 15 )⁺ à (М -41)⁺,

 

так как вычисленные для указанных процессов фрагментации значения масс метастабильных ионов равны, соответственно, 91²/106 = 78,1 и 65²/91 = 46,4.

Таким образом, для масс-спектрометрической идентификации необходимо знать закономерности фрагментации. Однако теория образования масс-спек-тров в настоящее время отсутствует, и на практике используют несколько эмпирических правил при оценке реакции распада ионов:

1. Вероятность фрагментации возрастает с ослаблением прочности разрываемой связи. Наблюдаются следующие закономерности.

· В первую очередь разрываются одинарные С-С связи, в то время как кратные (двойные, тройные) едва затрагиваются.

· Связи С-С рвутся легче, чем связи С-Н;

· преобладает разрыв связей, находящихся в b-положении к ненасыщенной связи или к гетероатомам N,O,S.

· В случае монозамещенной циклической системы происходит разрыв a-связи по отношению к насыщенному кольцу, но b-связи по отношению к ненасыщенному, особенно ароматическому кольцу.

· Соединения с разветвленной алкильной цепью распадаются в месте разветвления углеродного скелета.

· При наличии карбонильной группы происходит разрыв связей "по обе стороны" от нее, и т.п.

2. Относительная интенсивность осколочных ионов возрастает при возможности их стабилизации за счет отрыва таких прочных нейтральных фрагментов как Н₂О, СО, С₂Н₂, HCN, С₂Н₄, СО₂ и т.п., либо возможности стабилизации в виде заряженной ненасыщенной системы путем отрыва радикала или радикалов от молекулярного иона или от образующихся осколков.

3. Относительная интенсивность осколочных ионов возрастает при образовании промежуточной (часто циклической) системы, распадающейся в дальнейшем на стабильные ионы, или таутомерных структур - на первой или последующих стадиях распада молекулярного иона.

4. Избыточная энергия возбуждения, сообщаемая молекуле электроном, достаточна для разрыва только одной связи. Если в ходе последующего распада разрываются другие связи, то вследствие образования двойных связей или замыкания циклов в конечном итоге разрывается только одна связь (правило энергетического отбора).

Эти общие правила обычно весьма конкретны при установлении качественных корреляций между структурой изомеров какого-либо типа соединений и позволяют выбрать характеристические пики и характеристические потери, лежащие в основе идентификации неизвестного соединения.