Масс-спектральная интерпретация

Масс-спектр электронной ионизации стероидного спирта брассикастерола

Масс-спектральная интерпретация — это метод, используемый для определения химической формулы, характерных фрагментарных паттернов и возможных фрагментарных ионов из масс-спектров. ^{[1] [2]} Масс-спектры — это график относительной распространенности в зависимости от отношения массы к заряду. Он обычно используется для идентификации органических соединений с помощью масс-спектрометрии с электронной ионизацией . ^{[3] [4]} Химики-органики получают масс-спектры химических соединений в рамках выяснения структуры, а анализ является частью многих учебных программ по органической химии .

Генерация масс-спектров

Масс-спектр толуола насчитывает около 30 пиков.

Электронная ионизация (ЭИ) — это тип источника ионов масс-спектрометра , в котором пучок электронов взаимодействует с молекулой газовой фазы M с образованием иона в соответствии с

${\displaystyle M+e^{-}\to M^{+\bullet }+2e^{-}}$

с молекулярным ионом . ^[5] Верхний индекс "+" указывает на заряд иона, а верхний индекс "•" указывает на неспаренный электрон радикального иона . Энергия электронного пучка обычно составляет 70 электронвольт , а процесс ионизации обычно приводит к обширной фрагментации химических связей молекулы. ${\displaystyle M^{+\bullet }}$

Из-за высокого вакуумного давления в ионизационной камере средняя длина свободного пробега молекул варьируется от 10 см до 1 км, а затем фрагментация становится мономолекулярным процессом. После начала фрагментации электрон сначала возбуждается из участка с наименьшей энергией ионизации. Поскольку порядок энергии электрона — несвязывающие электроны > электроны пи-связи > электроны сигма-связи, порядок предпочтения ионизации — несвязывающие электроны > электроны пи-связи > электроны сигма-связи. ^[6]

Несколько пиков фрагментации толуола можно объяснить в этой модели фрагментации.

Пик в масс-спектре с наибольшей интенсивностью называется базовым пиком. Пик, соответствующий молекулярному иону, часто, но не всегда, является базовым пиком. Идентификация молекулярного иона может быть затруднена. При исследовании органических соединений относительная интенсивность пика молекулярного иона уменьшается с разветвлением и с увеличением массы в гомологическом ряду. Например, в спектре толуола пик молекулярного иона расположен при 92 m/z, что соответствует его молекулярной массе . Пикам молекулярных ионов также часто предшествует пик M-1 или M-2, возникающий в результате потери радикала водорода или дигидрогена соответственно. Здесь M относится к молекулярной массе соединения. В спектре толуола радикал водорода (пара протон-электрон) теряется, образуя пик M-1 (91).

Пики с массой меньше молекулярного иона являются результатом фрагментации молекулы. Существует множество путей реакции для фрагментации, но в масс-спектре будут отображаться только вновь образованные катионы, а не радикальные фрагменты или нейтральные фрагменты. Метастабильные пики представляют собой широкие пики с низкой интенсивностью при нецелочисленных значениях массы. Эти пики являются результатом ионов со временем жизни короче времени, необходимого для прохождения расстояния между ионизационной камерой и детектором.

Определение молекулярной формулы

Правило азота

Правило азота гласит, что органические молекулы, содержащие водород , углерод , азот , кислород , кремний , фосфор , серу или галогены , имеют нечетную номинальную массу , если они содержат нечетное число атомов азота, или четную массу, если они содержат четное число атомов азота. ^{[7] [8]} Правило азота справедливо для структур, в которых все атомы в молекуле имеют число ковалентных связей, равное их стандартной валентности, считая каждую сигма-связь и пи-связь отдельной ковалентной связью.

Правило колец

Из принципов степени ненасыщенности молекулы, содержащие только углерод, водород, галогены, азот и кислород, следуют формуле

${\displaystyle {\text{Rings}}+\pi {\text{-Bonds}}=u=C-{\frac {H}{2}}-{\frac {X}{2}}+{\frac {N}{2}}+1\,}$

где C — число атомов углерода, H — число атомов водорода, X — число галогенов, N — число атомов азота.

Правило четных электронов

Правило четных электронов гласит, что ионы с четным числом электронов (катионы, но не радикальные ионы) имеют тенденцию образовывать четноэлектронные фрагментные ионы, а нечетноэлектронные ионы (радикальные ионы) образуют нечетноэлектронные ионы или четноэлектронные ионы. ^[9] Виды с четными электронами имеют тенденцию фрагментироваться на другой четноэлектронный катион и нейтральную молекулу, а не на два вида с нечетными электронами.

OE ^+• →EE ⁺ + R ^• , OE ^+• →OE ^+• + N

Правила Стивенсона

Чем стабильнее катион продукта, тем более распространен соответствующий процесс разложения. Несколько теорий могут быть использованы для предсказания процесса фрагментации, такие как правило электронного октета, резонансная стабилизация и гиперконъюгация и т. д. ^[6]

Правило 13

Правило 13 — это простая процедура для составления таблицы возможных химических формул для заданной молекулярной массы. ^[10] Первый шаг в применении правила — предположить, что в молекуле присутствуют только углерод и водород и что молекула состоит из некоторого количества «единиц» CH, каждая из которых имеет номинальную массу 13. Если молекулярная масса рассматриваемой молекулы равна M , то количество возможных единиц CH равно n и

${\displaystyle {\frac {M}{13}}=n+{\frac {r}{13}}\,}$

где r — остаток. Базовая формула молекулы:

${\displaystyle C_{n}H_{n+r}\,}$

и степень ненасыщенности

${\displaystyle u={\frac {\left(n-r+2\right)}{2}}\,}$

Отрицательное значение u указывает на наличие гетероатомов в молекуле, а полуцелое значение u указывает на наличие нечетного числа атомов азота. При добавлении гетероатомов молекулярная формула корректируется на эквивалентную массу углерода и водорода. Например, добавление N требует удаления CH ₂ , а добавление O требует удаления CH ₄ .

Изотопные эффекты

Изотопные пики в спектре могут помочь в выяснении структуры. Соединения, содержащие галогены (особенно хлор и бром ), могут давать очень четкие изотопные пики. Масс-спектр метилбромида имеет два выраженных пика одинаковой интенсивности при m/z 94 (M) и 96 (M+2), а затем еще два при 79 и 81, принадлежащие фрагменту брома.

Даже когда соединения содержат только элементы с менее интенсивными изотопными пиками ( углерод или кислород ), распределение этих пиков может быть использовано для назначения спектра правильному соединению. Например, два соединения с одинаковой массой 150 Да, C ₈ H ₁₂ N ₃ ⁺ и C ₉ H ₁₀ O ₂ ⁺ , будут иметь две разные интенсивности M+2, что позволяет различать их.

Фрагментация

Картина фрагментации спектров, помимо определения молярной массы неизвестного соединения, также подходит для получения структурной информации, особенно в сочетании с расчетом степени ненасыщенности из молекулярной формулы (если она доступна). Нейтральными фрагментами, которые часто теряются, являются оксид углерода , этилен , вода , аммиак и сероводород . Существует несколько процессов фрагментации, как указано ниже.

α - расщепление

Фрагментация возникает в результате процессов гомолиза . Это расщепление происходит из-за тенденции неспаренного электрона из радикального центра к образованию пары с электроном из другой связи на атоме, соседнем с зарядовым центром, как показано ниже. ^[7] Эта реакция определяется как гомолитическое расщепление, поскольку переносится только один электрон. Движущей силой такой реакции является способность радикальных центров отдавать электроны: N > S, O,π > Cl, Br > H. ^[11] Примером является расщепление связей углерод-углерод рядом с гетероатомом . На этом изображении движения одного электрона обозначены однонаправленной стрелкой .

фрагментация на гетероатоме

разрыв сигма-связи

Ионизация алканов ослабляет связь CC, что в конечном итоге приводит к распаду. ^[7] При разрыве связи образуются заряженные, четные электронные виды (R+) и нейтральные радикальные виды (R•). Высокозамещенные карбокатионы более стабильны, чем незамещенные. Пример изображен ниже.

Расщепление сигма-связи алкана .

Индуктивное расщепление

Эта реакция является результатом индуктивного эффекта радикальных участков, как показано ниже. Эта реакция определяется как гетеролитическое расщепление, поскольку переносится пара электронов. ^[11] Движущей силой такой реакции являются электроотрицательности радикальных участков: галогены > O, S >> N, C. эта реакция менее благоприятна, чем реакции с радикальными участками. ^[11]

Перегруппировка Маклафферти

Перегруппировка Маклафферти может происходить в молекуле, содержащей кетогруппу, и включает β-расщепление с присоединением γ-атома водорода. ^{[12] [13] [14] Образование} ионно-нейтрального комплекса включает гомолиз или гетеролиз связей, при котором фрагменты не обладают достаточной кинетической энергией для разделения и вместо этого реагируют друг с другом подобно ионно-молекулярной реакции.

Пример перегруппировки Маклафферти

Перегруппировка водорода в насыщенный гетероатом

Сдвиг водорода «1,5» вызывает перенос одного γ-водорода на радикальный участок на насыщенном гетероатоме. Те же требования для перегруппировки Маклафферти применяются к перегруппировке водорода на насыщенный гетероатом. Такая перегруппировка инициирует реакцию зарядового участка, что приводит к образованию нечетного электронного иона и небольшой нейтральной молекулы (воды или кислоты и т. д.). Для спиртов это гетеролитическое расщепление высвобождает молекулу воды. Поскольку реакции зарядового участка доминируют в менее объемных спиртах, эта реакция благоприятна для спиртов как первичных > вторичных > третичных. ^[11]

Двойная водородная перегруппировка

Сдвиг водорода «1,5» вызывает перенос двух γ-водородов на два радикальных участка на двух разных ненасыщенных атомах. Те же требования для перегруппировки Маклафферти применяются к перегруппировке двойного водорода. Эта реакция наблюдается для трех ненасыщенных функциональных групп, а именно тиоэфиров, эфиров и амидов. ^[15]

Орто-перегруппировка

Сдвиг водорода «1,5» вызывает перенос двух γ-водородов на два радикальных участка на двух разных ненасыщенных атомах. Те же требования для сдвига водорода «1,5» происходят между надлежащими заместителями в орто-положениях ароматических колец. Те же требования для перегруппировки Маклафферти применяются к орто-перегруппировке, за исключением сильной α,β-углерод-углеродной двойной связи. Такая перегруппировка инициирует реакцию заряда-узла, что приводит к образованию нечетного электронного иона и небольшой нейтральной молекулы (воды или HCl и т. д.). Эту реакцию можно использовать для различения орто-, пара- и мета-изомеров. Перегруппировка Маклафферти применяется к двойной перегруппировке водорода. Эта реакция наблюдается для трех ненасыщенных функциональных групп, а именно тиоэфиров, эфиров и амидов. ^[11]

Орто-перегруппировка

Реакция ретро-Дильса-Альдера

Эта реакция происходит в основном в циклогексене и его производных. При ионизации π-электроны возбуждаются и генерируют центр заряда и радикальный центр. После этого два последовательных α-расщепления дают радикал бутадиена и нейтральный этен, поскольку этен имеет более высокую энергию ионизации, чем бутадиен (правила Стивенсона). ^[11]

Ретрореакция Дильса-Альдера с получением нейтрального этилена

Реакция циклоэлиминирования

Эта реакция происходит в основном в четырехчленных циклических молекулах. После ионизации он производит дистонический ион, а затем далее фрагментируется, давая радикальный ион этена и нейтральную молекулу этена. ^[11]

Модели фрагментации определенных классов соединений

Алканы

Для линейных алканов часто наблюдаются пики молекулярных ионов. Однако для длинноцепочечных соединений интенсивность пиков молекулярных ионов часто слабая. Линейные фрагменты часто различаются на 14 Да (CH ₂ = 14). Например, паттерны фрагментации гексана. Бутиловый катион m/z=57 является базовым пиком, а другие наиболее распространенные пики в спектре являются алкильными карбокатионами при m/z=15, 29, 43 Да. ^{[6] [2] [11]}

Возможные механизмы спектров ионизации EI гексана

Разветвленные алканы имеют несколько более слабые пики молекулярных ионов в спектрах. Они имеют тенденцию фрагментироваться в точке разветвления. Для 2,3-диметилбутана пик изопропилового катиона (m/z=43) очень сильный. ^{[6] [2] [11]}

Разветвленный алкан

Циклоалканы имеют относительно интенсивные пики молекулярных ионов (две связи должны разорваться). Пики фрагментации алкенов часто являются наиболее значимой модой. Потеря «CH ₂ CH ₂ « (= 28) является обычной, если присутствует. Однако для замещенных циклоалканов они предпочитают образовывать циклоалкильные катионы путем расщепления в точках разветвления. ^[11]

Алкены

Алкены часто производят более сильные молекулярные ионные пики, чем алканы, из-за более низкой энергии ионизации пи-электрона, чем σ-электрона. После ионизации двойные связи могут легко мигрировать, что приводит к практически невозможному определению изомеров. Аллильное расщепление является наиболее значимым режимом фрагментации из-за резонансной стабилизации. ^[11]

Наиболее возможный механизм ионизации ациклических алкенов

Возможны перегруппировки типа Маклафферти (похожие на карбонильные пи-связи). Опять же, возможна миграция связей. ^[11]

Перегруппировки алкенов по типу Маклафферти

Циклогексены часто вступают в ретрореакции Дильса-Альдера.

Алкины

Подобно алкенам, алкины часто показывают сильный молекулярный ионный пик. Пропаргилическое расщепление является наиболее значимым режимом фрагментации. ^[11]

Наиболее возможный механизм ионизации алкина

Ароматические углеводороды

Ароматические углеводороды показывают отчетливый молекулярный ион пик. Бензильное расщепление довольно распространено. Когда алкильные группы присоединены к кольцу, благоприятный режим расщепления заключается в потере H-радикала с образованием тропилиевого катиона (m/z 91). ^{[2] [11]}

Бензиловое расщепление

Алкилзамещенные бензолы могут фрагментироваться посредством кинетически контролируемого процесса с образованием ионов C ₆ H ₅ ⁺ , C ₆ H ₆ ⁺ . ^[11]

Процесс фрагментации производных бензола

Другим распространенным способом фрагментации является перегруппировка Маклафферти, которая требует, чтобы длина алкильной цепи была как минимум длиннее 3 атомов углерода. ^[11]

Перегруппировка ароматических соединений Маклафферти

Спирты

Спирты обычно имеют слабые пики молекулярных ионов из-за сильной электроотрицательности кислорода. Расщепление «альфа» является обычным из-за резонансной стабилизации. Самая большая алкильная группа будет потеряна. ^[2]

Механизм фрагментации α-расщепления спиртов

Другим распространенным режимом фрагментации является дегидратация (М-18). Для спиртов с более длинной цепью перегруппировка типа Маклафферти может производить воду и этилен (М-46).

Перегруппировка типа Маклафферти для длинноцепочечных спиртов

Циклические спирты, как правило, показывают более сильные пики M+, чем линейные цепи. И они следуют схожим путям фрагментации: альфа-расщепление и дегидратация. ^[11]

Фенол

Фенол демонстрирует сильный молекулярный ионный пик. Наблюдается потеря H· (M – 1), CO (M – 28) и формильный радикал (HCO·, M – 29) обычно наблюдается. ^{[2] [11]}

Возможный механизм фрагментации фенолов

Эфир

Эфиры производят немного более интенсивные пики молекулярных ионов по сравнению с соответствующими спиртами или алканами. Существует два распространенных режима расщепления. α-расщепление и расщепление связи CO.

Режимы фрагментации алифатических эфиров

Ароматические эфиры могут генерировать ион C6H5O+ за счет потери алкильной группы, а не H; это может привести к выделению CO, как при фенольной деградации. ^[11]

Механизм фрагментации ароматических эфиров

Карбонильные соединения

Существует пять типов карбонильных соединений, включая альдегиды, кетоны, карбоновые кислоты и эфиры. ^[2] Основные режимы фрагментации описываются следующим образом:

Альфа-расщепление может происходить по обе стороны от карбонильной функциональной группы, поскольку неподеленная пара кислорода может стабилизировать положительный заряд.

Альфа-расщепление карбонильных соединений

β-расщепление является характерным режимом фрагментации карбонильных соединений за счет резонансной стабилизации.

Бета-расщепление карбонильных соединений

Для карбонильных соединений с более длинной цепью (число атомов углерода больше 4) преобладают перегруппировки Маклафферти.

Перегруппировка Маклафферти карбонильных соединений

Характерные пики карбонильных соединений, соответствующие этим моделям фрагментации, обобщены в следующей таблице.

Для ароматических карбонильных соединений альфа-расщепление в первую очередь благоприятствует потере G· (M – 1,15, 29…) с образованием иона C6H5CO+ (m/z = 105), который может далее терять CO (m/z = 77) и HCCH (m/z = 51). ^[6]

Механизм фрагментации ароматических карбонильных соединений

Амины

Амины следуют правилу азота. Нечетное отношение массы молекулярного иона к заряду предполагает существование нечетного числа азотов. Тем не менее, пики молекулярных ионов слабы в алифатических аминах из-за легкости фрагментации рядом с аминами. Реакции альфа-расщепления являются наиболее важным режимом фрагментации для аминов; для 1° n-алифатических аминов наблюдается интенсивный пик при m/z 30. ^{[11] [6]}

Альфа-расщепление аминов

Ароматические амины имеют интенсивные пики молекулярных ионов. Для анилинов они предпочитают потерять атом водорода перед выбросом HCN.

Механизм фрагментации анилина

Нитрилы

Основной режим фрагментации – это потеря атома H (M – 1) из углерода рядом с группой CN из-за резонансной стабилизации. Перегруппировка Маклафферти может наблюдаться, когда они имеют более длинные цепи. ^[6]

Фрагментация нитрила

Нитросоединения

Алифатические нитросоединения обычно показывают слабые пики молекулярных ионов, в то время как ароматические нитросоединения дают сильный пик. Обычный режим деградации - потеря NO ⁺ и NO ²⁺ . ^[6]

Фрагментация нитросоединений

Электрораспыление и химическая ионизация при атмосферном давлении

Электрораспыление и химическая ионизация при атмосферном давлении имеют разные правила интерпретации спектра из-за разных механизмов ионизации. ^[16]

Смотрите также

• Алгоритм обнаружения компонентов (CODA), алгоритм, используемый при анализе данных масс-спектрометрии
• Список программного обеспечения для масс-спектрометрии

Ссылки

1. Терренс А. Ли (4 февраля 1998 г.). Руководство для начинающих по интерпретации масс-спектров. John Wiley & Sons . ISBN 978-0-471-97629-5.
2. Фред В. Маклафферти (1 января 1993 г.). Интерпретация масс-спектров. Университетские научные книги. ISBN 978-0-935702-25-5.
3. Спектрометрическая идентификация органических соединений Сильверстайн, Басслер, Моррилл 4-е изд.
4. Органическая спектроскопия Уильям Кемп 2-е изд. ISBN 0-333-42171-X 
5. IUPAC , Compendium of Chemical Terminology , 2nd ed. («Золотая книга») (1997). Онлайн-исправленная версия: (2006–) «электронная ионизация». doi :10.1351/goldbook.E01999
6. Павия, Дональд Л. Введение в спектроскопию . стр. 141. ISBN 1-285-46012-X.
7. Туречек, Франтишек; Маклафферти, Фред В. (1993). Интерпретация масс-спектров . Саусалито, Калифорния: University Science Books. стр. 37–38. ISBN 0-935702-25-3.
8. Дэвид О. Спаркман (2007). Справочник по масс-спектрометрии . Питтсбург: Global View Pub. стр. 64. ISBN 0-9660813-9-0.
9. Карни, Мириам; Мандельбаум, Эшер (1980). «Правило четных электронов»". Органическая масс-спектрометрия . 15 (2): 53–64. doi :10.1002/oms.1210150202. ISSN  0030-493X.
10. Брайт, Дж. В.; Чен, Э. К. М. (1983). «Масс-спектральная интерпретация с использованием «правила „13“»». Журнал химического образования . 60 (7): 557. Bibcode : 1983JChEd..60..557B. doi : 10.1021/ed060p557. ISSN  0021-9584.
11. Dass, Chhabil (2007). Основы современной масс-спектрометрии . Wiley-interscience. С. 219–232. ISBN 978-0-471-68229-5.
12. FW McLafferty (1959). «Масс-спектрометрический анализ. Молекулярные перегруппировки». Anal. Chem. 31 (1): 82–87. doi :10.1021/ac60145a015.
13. Gross ML (2004). «Фокус в честь Фреда Маклафферти, лауреата премии «За выдающийся вклад» 2003 года, за открытие «перегруппировки Маклафферти»». J. Am. Soc. Mass Spectrom . 15 (7): 951–5. doi : 10.1016/j.jasms.2004.05.009 . PMID  15234352.
14. Nibbering NM (2004). «Перегруппировка Маклафферти: личные воспоминания». J. Am. Soc. Mass Spectrom . 15 (7): 956–8. doi : 10.1016/j.jasms.2004.04.025 . PMID  15234353.
15. Кингстон, Дэвид Г. (1974). «Внутримолекулярный перенос водорода в масс-спектрах. II. Перегруппировка Маклафферти и родственные реакции». Chemical Reviews . 74 : 216–242. doi :10.1021/cr60288a004.
16. Holčapek, Michal; Jirásko, Robert; Lísa, Miroslav (2010). «Основные правила интерпретации масс-спектров малых молекул, полученных методом ионизации при атмосферном давлении». Journal of Chromatography A. 1217 ( 25): 3908–3921. doi :10.1016/j.chroma.2010.02.049. ISSN  0021-9673. PMID  20303090.