Химическая модификация аналитов для анализа методом матрично-активированной лазерной десорбции/ионизации тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.03 ВАК РФ
|
Половков, Николай Юрьевич
АВТОР
|
||||
|
кандидата химических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Москва
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2012
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
02.00.03
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
на правах рукописи
ПОЛОВКОВ НИКОЛАЙ ЮРЬЕВИЧ
Химическая модификация аналитов для анализа методом матрично-активированной лазерной десорбции/ионизации
(02.00.03. - органическая химия)
АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата химических наук
1 IШ 2012
Москва 2012
005015676
Работа выполнена на кафедре органической химии факультета физико-математических и естественных наук федерального государственного бюджетного учреждения высшего профессионального образования «Российский университет дружбы народов».
Научный руководитель: доктор химических наук, профессор
Варламов Алексей Васильевич
Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор
Лебедев Альберт Тарасович (МГУ им. М.В. Ломоносова)
кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник Вирюс Эдуард Даниэлевич (ФГУП "Антидопинговый центр")
Ведущая организация: Федеральное государственное
бюджетное учреждение науки Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова РАН (ИНЭОС РАН)
Защита диссертации состоится 27 марта 2012 г. в 15 час 30 мин. на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.203.11 при Российском университете дружбы народов по адресу: 117923, Москва, ул. Орджоникидзе, д.З, зал №2.
С диссертацией можно ознакомиться в Учебно-научном информационном библиографическом центре Российского университета дружбы народов по адресу: 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, д. 6.
Автореферат разослан!/ 012 г.
Учёный секретарь диссертационного совета, /7
кандидат химических наук, доцент: ь-^у&Р'/' Курилкин В.В.
Общая характеристика работы
Актуальность темы. Масс-спектрометрия на сегодняшний день является одним из самых популярных инструментальных методов изучения, идентификации и установления строения различных органических соединений. Создание и быстрое развитие ннзкоэнергетических шш «мягких» методов ионизации позволило использовать масс-спектрометрию в ранее недоступных областях, таких как исследование органических соединений с низкой летучестью и большими молекулярными массами. Одним из таких методов является матрично-активированиая лазерная десорбция/ионизация (МАЛДИ). Однако регистрируемые с помошью этого метода ионизации масс-спектры содержат пики только протежированных или катионизированных молекул, что пригодно для определения молекулярно-массовых характеристик аналитов, однако далеко не всегда позволяет устанавливать более тонкую структуру изучаемых соединений, одним из ключевых элементов которой являются свободные функциональные группы и их число. Важность этого параметра подчеркивается тем, что от него зависят как химические, так и физические свойства соединений. В некоторых случаях функциональные группы могут быть обнаружены с применением тандемной масе-спектрометрии и распада ионов после источника, а также с использованием масс-спектрометрии ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье. Наиболее же очевидным решением этой задачи представляется использование простых методов химической модификации (сшгилирование, ацилирование, образование оснований Шиффа и проч.) аналитов с последующим сравнительным анализом масс-спектров МАДЦИ исходных веществ и полученных производных. Изучение таких подходов является актуальной задачей при создании экспрессных и эффективных структурно-аналитических методов современной органической химии.
Существенным препятствием на пути использования такого подхода является эмпирический характер подбора условий измерения масс-спектров МАЛДИ: типа используемой матрицы, соотношения матрицы и аналита, методов нанесения их на мишень, использование допантов. Поэтому особую актуальность приобретает разработка стандартных протоколов пробоподготовки для различных типов органических соединений и их производных.
Работа выполнена на экспериментальной базе Института нефтехимического синтеза им. А.В Топчиева РАН и поддержана Программой фундаментальных исследований Президиума Российской академии наук «Создание и совершенствование методов химического анализа и исследования структуры веществ и материалов».
Цель работы. В настоящей работе поставлены цели: - разработать общие подходы к применешпо дериватизации функциональных групп для
определения тонкой структуры аналитов различного строения с помощью масс-спектрометрии МАЛДИ;
- изучить возможность использования разработанных подходов для определения числа и характера свободных функциональных групп (гидроксильных, первичных амино-групп) в различных типах соединении и промышленных продуктов.
Научная новизна. Впервые проведено систематическое исследование возможности использования предварительной химической модификации в сочетании с масс-спектрометрией МАЛДИ для определения числа и типа свободных гидроксильных и первичных амино-групп в индивидуальных олигомерах различных полиалмиенгликолей, функнионализированых псшиалкиленгликолей, силсесквиоксанов, циклических полисахаридов и продуктах полимеризации азиридннов (полиэтнлениминах).
Показано, что применение дериватизации (сшшлирования и ацилироваиия) для характеризации полиалкиленгликолей позволяет однозначно определять число свободных гидроксильных групп в них, дифференцировать линейные и циклические олигомеры. В случае полисштсесквиоксанов использование предварительной химической модификации дает возможность устанавливать число свободных гидроксильных групп в олигомерах и дифференцировать их двухмерные и трехмерные формы. Использование этой методики для установления числа свободных функциональных групп в полисахаридах осложнено не количественным протеканием реакций дериватизации. Получение оснований Шиффа из соединений с первичными амиио-группами позволяет определять их число в функционализированных полиалкиленгликолях и полиэтнлениминах, а также устанавливать связь между молекулярной массой, числом мономерных звеньев и количеством первичных амино-групп в индивидуальных олигомерах.
Практическая значимость. Полученные результаты существенно расширяют границы применения масс-спектрометрии МАЛДИ в области изучения особенностей строения олигомеров. Разработанные методики определения количества свободных функциональных групп в индивидуальных олигомерах рахитичного происхождения позволяют контролировать реакции, используемые да их получения, определять характеристики синтезируемых и закупаемых материалов.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на 56-й конференции Американского масс-спектрометрического общества (1-5 июня 2008, США, Денвер, США), 57-й конференции Американского масс-спектрометрического общества (1-4 июня 2009 г„ Филадельфия, США), Ш-ей Всероссийской конференции с международным участием "Масс-спектрометрия и её прикладные проблемы" (18-22 мм 2009г., Москва, Россия), XVI Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых
«Ломоносов», Секция «Химия», (14- 17 апреля 2009 г., Москва, Россия), 58-й конференции Американского масс-спектрометрического общества (23-27 мая 2010 г., Солт-Лейк-Сити, США), XVIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов», Секция «Химия», (11 - 15 апреля 2011 г., Москва, Россия), IV-ой Всероссийской конференции с международным участием "Масс-спекгрометрия и её прикладные проблемы" (05-09 сентября 2011 г., Москва, Россия), 59-й конференции Американского масс-спектрометрического общества (5-9 июня 2011 г., Денвер, США).
Публикации. По материалам работы опубликовало 5 статей (все в журналах, рекомендованных ВАК Российской Федерации) и 19 тезисов в сборниках докладов научных конференций.
Структура и объём работы. Диссертация объёмом 162 страницы, состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, трех глав обсуждения результатов работы и выводов. Содержит 17 таблиц и 55 рисунков. Библиография включает 93 названия.
Основное содержание работы Во Введении дано обоснование актуальности работы, новизны, научной и практической значимости выбранной темы.
Глава 1 представляет собой краткое описание наиболее актуальных «мягких» методов ионизации в масс-спектрометрии и обзор литературных данных, касающихся химической модификации органических соединений для анализа с их помощью. Показано, что основная часть научных публикаций описывает использования дернватизации для повышения вероятности ионизации полученных соединений, в то время как ее использование для характеризации свободных функциональных групп и определения других элементов структуры практически не обсуждается.
Глава 2, являющаяся экспериментальной частью, описывает методы получения производных изученных соединений, оптимизацию процесса нробоподготовки. Масс-спектры МАЛДИ измерялись на масс-спектрометре Autoflex II, оснащенным азотным лазером (X 337 пш), в режиме регистрации положительных ионов с использованием рефлектрона. Изученные низкомолекулярные полиалкиленгликоли, пропоксшшрованные и этоксшшрованные глицерины, поликапролактондиолы и -триолы, полиэтиленнмины, а также реагенты для дериватизации являются коммерчески доступными. Силсесквиоксаны синтезированы на кафедре химической технологии пластмасс РХТУ им. Д.И.Менделеева. В работе использовали матрицы: З-индолакриловая кислота (IAA), 2,5-дигидроксибензойная кислота (DHB), 1,8,9-антрацентриол (AT) (Aldrich, USA), 2-(4-гидроксифенилазо)бензойная кислота. В качестве допантов использовали ацетат и трифторацетат натрия (Aldrich, USA ).
соон [fY°H
DHB HABA
В главах 3,4 и 5 обсуждаются результаты, полученные в работе: 3. Общие принципы использования химической модификации для определения числа свободных функциональных групп с помощью масс-спектромстрин с МАЛДИ
Существенным недостатком масс-спектрометрии МАЛДИ является то, что регистрируемые масс-спектры содержат пики только протежированных или катионизированных молекул, что пригодно для определения молекулярио-массового распределения, однако далеко не всегда позволяет устанавливать более тонкую структуру молекул - характер и количество функциональных групп, последовательность звеньев, особенности строения каркасных олигомеров. В общем случае ион олигомера имеет следующий вид:
Г,(М)П Г, + Кат+
где М - мономерное звено, Fi и Г? - концевые группы, Кат+ - катион, присоединяющийся в процессе ионизации, n-число мономерных звеньев в олигомере.
Для определения суммарной массы концевых групп необходимо взять массовое число пика кагионизированной молекулы одного из «гомологичных» ионов и вычесть из него массу катиона Кат+, который обычно определяется используемым допаитом. Затем из остатка вычесть суммарную массу необходимого числа мономерных звеньев и получить суммарную массу концевых групп Г1+Г2. При этом получают, однако, лишь величины масс концевых групп, природа которых может быть выведена лишь дедуктивно. В некоторых случаях элементы структуры могут быть установлены с применением тандемной масс-спектрометрии и распада после источника, а также с использованием анализаторов FT-ICR. Однако более простым способом представляется использование легко протекающих реакций, позволяющих замещать активные атомы водорода свободных функциональных групп на силильные (в случае гидроксильных, карбоксильных и др. групп) , ацильные (в случае гидроксильных, амино- и др.групп), алкил- и арилалкилиденовые (в случае амино-групп) заместители. Массовое число молекулярного иона продукта химической модификации (дериватизации) изменятся при этом следующим образом:
щ/2пр0д= m/zw + п*И - Кат+1 + Кат^
где m/zПр0Л - массовое число ппка модифицированного олигомера с присоединенным катионом Кат+2, ; т/гясх - массовое число пика исходного олигомера с присоединенным катионом Кат\; п - число свободных функциональных групп в олигомере; Я - инкремент
массы вводимой при дериватизации группы; Катм - атомная масса катиона присоединившегося к молекуле исходного олгомера при ионизации; Кат+2 - атомная масса катиона присоединившегося к молекуле продукта химической модификации олигомера при ионизации. При этом в большинстве случаев Кат+1 совпадает с Кат+2. Очевидно, что зная значения массовых чисел молекулярных ионов исходных соединений и продуктов нх дериватизации. а также значение инкремента вводимой группы, вычисление числа свободных функциональных групп не составляет труда.
4. Химическая модификация соединении со свободными гидрокснльнмми группами
Химическая модификация гидроксилъных групп для аналитических целей подразумевает количественное и легко протекающее замещение активного атома водорода в них на остаток дериватнзирующего агента. Поэтому наиболее удобными методами для получения производных по гидроксильной группе являются ацилирование и силилированне. В работе для проведения дериватизации гидроксильной группы аналнтов использовались триметилсилилирующие [бис(триметилсилил) трифторацетамид, БСТФА)] и ацилируюшие (уксусный ангидрид или ацетилхлорид, форматирующая смесь и хлорангидрид каприловой кислоты) агенты. Выбор этих реагентов обусловлен их доступностью и высокой реакционной способностью в сочетании с минимальной вероятностью образования побочных продуктов реакции.
4.1. Разработка методов дериватизации индивидуальных соединений
На первом этапе работы была проверена возможность использования предварительной химической модификации для установления количества и характера функциональных групп в модельных соединениях - гепта-, окта-, ундекаэтнленгликолей, их монометиловых эфиров. Для проведения химической модификации нами использовались триметисилилрующие и ацилирующие реагенты. Обнаружено, что масс-спектры МАЛДИ химически модифицированных соединений содержат пики кат ионизированных ионов соединений с количественно блокированными функциональными группами. Сравнение значений массовых чисел пиков катионизированных продуктов дериватизации аналнтов и массовых чисел пиков катпоншированных исходных молекул аналнтов позволяет однозначно устанавливать число
О
доступных для химической модификации концевых групп. Основным препятствием для этого является возможность неколичественного протекания реакции химической модификации, вероятность которого особенно возрастает при исследовании соединений, содержащих несколько функциональных групп. Установлено, что проведение химической модификации в этом случае требует большого избытка дериватизирующего агента. Для обеспечения количественного блокирования всех функциональных групп в молекуле весьма эффективно использование ультразвукового поля. 4.2. Анализ низкомолекулярных полиэтшенгликолей (ПЭГ)
Способы дериватизацни, разработанные для анализа индивидуальных соединений, были применены для изучения возможности их использования для определения характера и количества функциональных групп в промышленных ннзкомолекулярных ПЭГ со средними молекулярными весами от 400 до 1500 Да. Проведенная оптимизация условий пробоподготовки показала, что наилучшие результаты достигаются при измерении масс-спектров полиэтилеигликолей с использованием в качестве матрицы З-иидолакриловой кислоты (IAA) в сочетании с допантом - ацетатом натрия. Масс-спектры МАЛДИ исходных ПЭГ содержали преимущественно пики продуктов присоединения иона Na+ к молекулам олигомеров (рис. 1а). Анализ масс-спектров показал, что наиболее интенсивные пики связаны с ионами, массовые числа которых соответствовали олигомерам с двумя концевыми гидроксильными группами [HOCCNFLiOjnH+Na]". В то же время, в масс-спектрах всех изученных ПЭГ присутствовали малоинтеисивные пики ионов отличающихся по молекулярной массе от основных олигомеров на 16 Да. Для определения числа свободных гидроксильных групп в этих олигомерах проведена химическая модификация исходных ПЭГ. Поскольку образцы содержали значительные количества сорбированной воды, для обеспечения полноты дериватизации растворы аиалитов предварительно абсолютизировали, а реакции дериватизации проводили с использованием 30-кратного избытка реагентов и ультразвуковой активации реакционной смеси. Масс-спектры продуктов силшшрования, измеренные в трех названных матрицах, оказались совершенно различными. Только пики для исходных олигомеров были зарегистрированы в присутствии DHB, в то время как практически только пики для полностью дериватизированных олигомеров наблюдались в случае AT. Масс-спектры, полученные с использованием IAA, оказались сложными и содержали наборы пиков, типичных для недериватизированных, частично модифицированных (введение одной синильной группы) и полностью превращенных олигомеров. Наблюдаемый эффект, очевидно, является следствием переноса силильных групп на молекулы матрицы, содержащие склонную к силилированшо свободную карбоксильную групп, в процессе их сокристаллизации с аналитом. Это предположение
подтверждается тем, что по данным ГХ/МС продукты силшшрования модельных соединений после их сокристаллизании с матрицей ОНВ гидролизуются до исходных соединений.
Intens. xtrf1
'.......Г......Т.............................
—*Тюоз
H0(C,H,,0),3H+Na i! 10S3 :
Н0(С7Н,0)ггН->Г
»25
ijii' та
I
intens »10®. «
:сун, .соас2нлоьгсос,н „чгг ,21? \1261 ,3öJ
s IHlC^rä^COC^^Na*! i
' | 1159 1233 1277
4 ' • ' < " p 1
lu
■L-. Ja.
Рис. 1. Масс-спектры МАЛДИ (матрица AT) исходного (а) и ацилированного хлорангидридом каприловой кислоты (б) ПЭГ Carbowax PEG 1000.
Масс-спектры продуктов ацшшрования каприлоилхлоридом, измеренные с использованием в качестве матрицы 3-индолакриловой кисло™ (IAA), 2,5-дигндроксибензонной кислоты (DHB) и 1.8,9-ашрацентриола (AT), не содержали пиков ионов исходных олигомеров (рис. 16). Сдвиг массовых чисел ионов продуктов химической модификации соответствовал введению двух ацильных остатков в молекулы основного набора олигомеров и одного в молекулы минорного набора олигомеров, что указывает на
наличие в mix двух и одной гидроксильной группы соответственно и позволяет приписать наборам олигомеров следующие структуры:
4.3. Анаша низкомолекулярных полипротшенгликолей (ППГ)
Разработанная методика химической модификации для определения количества и характера концевых групп в олигомерах ПЭГ применена для решения аналогичной задачи в промышленных низкомолекулярных ППГ с различными средними молекулярными массами (от 400 до 1000 Да). Как и в предыдущем случае, при оптимизации условий пробоподготовки было обнаружено, что наилучшие соотношение сигнал/шум достигается при измерении масс-спектров ППГ в присутствии матрицы 1АА в сочетании с допантом - ацетатом натрия. Масс-спектры МАЛДИ исходных ППГ содержали преимущественно пики продуктов присоединения иона Na+ к молекулам олигомеров (рис.2а), а массовые числа ионов соответствующих наиболее интенсивным пикам отвечают олигомерам с двумя концевыми гидроксштьными группами [HO(C3H80)nH + Naj*. В масс-спектрах всех изученных ПЭГ присутствовали пики ионов олигомеров, имеющих молекулярные массы на 18 Да меньшие, чем массы основных олигомеров, причем их интенсивность варьировалась в зависимости от образца и в некоторых случаях достигала 30% от интенсивности соответствующего пика иона основного набора олигомеров. Наиболее вероятной причиной наличия таких олигомеров может служить дегидратация в процессе синтеза основных олигомеров с двумя концевыми гидроксильиыми группами, а образующиеся при этом соединения могут иметь либо лннейную, либо циклическую структуру:
основной набор олигомеров
минорный набор олигомеров
циклические продукты дегидратации
BSTFA
^ ^BSTFA
BSTFA
Intens. tVf
911: а®
H0iC,4,;0;,4Htfa* ..... ;«3(CaH(!Öj,5HtK*.
' ■ 853' . .................911'...............
nriöjC3H O)14H->K*I
(C3HsO),,+Na'i 893
885 ::
J—jj.
1549
inters,:' x«'
Л
!"Н.,};!а0<СзН,,0|,5Н*Ца';;
1400 1600 ms
4CH,),Si0iC,H„0)„SiiCH.,)<Na*i \ 1С»
:(CH!,).,si0;c.,H,i0),<c3HttNa';
1229 г | 983 : 955
1041
, jil
600 1000 1200 1400 1500 лй
Рис.2. Масс-спектры МАЛДИ (матрица АТ) исходного (а) и триметилсилилированного (б) ППГ Асро1 РРСт 1000.
При проведении химической модификации ППГ использовали протокол, разработанный для дериватизации ПЭГ. Масс-спектры продуктов ац1Ширования не содержали пиков ионов исходных олигомеров. В масс-спектрах продуктов сплилирования отмечен матричный эффект, аналогичный наблюдавшемуся в случае продуктов сшшлирования ПЭГ, однако в масс-спектрах, измеренных с использованием АТ пики ионов исходных олигомеров также отсутствовали (Рис. 26). Сдвиг массовых чисел ионов продуктов химической модификации соответствовал введению двух ацильных или силильных остатков в молекулы основного набора олигомеров и одного в молекулы минорного набора олигомеров. Этот результат убедительно доказывает линейную структуру минорного набора олигомеров, так как в случае циклического строение соединений свободные гидроксильные группы отсутствуют.
4.4. Анализ низкомолекулярных соолнгомеров полипропилен- и полиэтипенгликоле й (ППГ/ПЭГ)
Полученные в результате изучения низкомолекулярных ППГ и ПЭГ результаты позволили перейти к определению характеристик более сложных объектов: низкомолекуляриых продуктов соолигомеризации полипропилен- и гюлиэтиленглнколей со средними молекулярными массами 1100 и 1200 Да. Отдельной оптимизации условий пробоподготовки в этом случае не потребовалось. Масс-спектры исходных ППГ/ПЭГ представляют собой сложную картину, поскольку содержат пики продуктов присоединения иона Ка+ к олигомерам, содержащим различное число звеньев этилен- и пропиленгликоля. Кроме того в них наблюдаются пики минорного набора олигомеров, массовые числа которых отличаются от массовых чисел основного набора олигомеров на 16 Да. Для проведения химической модификации ППГ/ПЭГ использовали протокол, разработанный для дериватизации ПЭГ. Масс-спектры продуктов ацилирования не содержали пиков ионов исходных олигомеров. Сдвиг массовых чисел ионов продуктов химической модификации соответствовал введению двух ацильных остатков в молекулы основного набора олигомеров и одного в молекулы минорного набора олигомеров. Установление строение концевых групп изученных соединений позволил рассчитать количество звеньев этилен- и пропиленгликоля в индивидуальных олигомерах исходя из следующего выражения:
т/гии = т* 44+ п* 58 + тконц + К+ где ш/2исх - массовое число пика протоиированного исходного олигомера; т — число звеньев этиленгликоля в нем; 44 - масса звена этиленгликоля в Да: п - число звеньев пропиленгликоля в олигомере; 58 - масса звена этиленгликоля в Да; тконц - суммарная масса концевых групп в Да; К+ - атомная масса катиона присоединившегося к молекуле исходного олигомера при ионизации. При этом очевидно, что для приведенного выражения должны также выполняться следующие граничные условия:
0 < т < (т/2исх - тконц - К+) / 44, 0 < п < (т/гик - тконц - К+) / 58 При известных суммарных массах концевых групп и массе присоединившегося катиона и выполнении указанного граничного условия равенство имеет только один набор параметров ш и п, который и определяет число звеньев этилен- и пропиленгликоля в соответствующем олигомере.
4.5. Анализ ачкоксилатов глицерина
Для проверки возможностей использования разработанного метода для анализа эфиров, содержащих три свободные ОН-группы в каждой олигомерной молекуле, нами было проведено изучение алкоксилатов глицерина. Оптимизация условий пробоподготовки показала, что наибольший выход ионного тока достигается при измерении масс-спектров
исходных соединений с использованием в качестве матрицы DHB в сочетании с допантом -ацетатом натрия. Масс-спектры МАЛДИ алкоксилатов глицерина содержали хорошо разрешенные пики ионов [M+Na]+ индивидуальных олигомеров. Ацилирование с использованием ацетилхлорида, формилирующей смеси и хлорангидрида каприловой кислоты, а так же триметилсилилирование этих соединений проводили с использованием методики, разработанной для дериватизации ПЭГ и ПТТГ. но с увеличением избытка дериватизирующего агента до 40-кратного. Масс-спектры продуктов ацшшрования и силилирования (измеренных с помощью AT) не содержали пиков ионов исходных олигомеров. При использовании DHB и IAA дои измерения масс-спектров продуктов силилирования наблюдался матричный эффект. Сдвиг массовых чисел ионов продуктов химической модификации соответствовал введению трех ацильных или силильных остатков в молекулы олигомеров.
4.6. Анализ низкомолекулярных продуктов полимеризации е-капролактона
Поскольку в ходе предварительной дериватизации полимеров по разработанной нами методике выделяются достаточно реакционноспособные соединения кислого характера, которые могут расщеплять лабильные связи в цепи соответствующих олигомеров и приводить к изменению молекулярно-массового распределения, эта методика была опробована на соединениях с легко гидролизующимися связями. В качестве таких соединений были выбраны биодеградируемые полимеры: продукты полимеризации £-капролактона со средними молекулярными массами 900 Да, 1200 и 2000 Да, которые содержат сложноэфирные связи, склонные к кислому гидролизу. Эти соединения получены с использованием в качестве инициатора диэтиленгликоля (т.н. «поли(е-каиролактон)диолы») и 1,1,1-три(гидроксиметил)пропана (т.н. «поли(5-капролактон)триолы»)
поли(е-капролактон)диол
поли(е-капролактон)триол 11
Рис.3. Масс-спектры МАЛДИ (матрица АТ) исходного (а) и триметилсюшлированного (б) поли(б-капролактон)триола.
Было установлено, что наилучшие результаты достигаются при измерении масс-спектров с использованием в качестве матрицы ОНВ в сочетании с долантом - ацетатом натрия. Для химической модификации поли(е-капролактон)диолов и триолов использовали протокол, разработанный для дериватизации алкоксилированных глицеринов. Анализ масс-спектров МАЛДИ исходных соединений показал, что в основном они содержат пики олигомеров, катионизированных ионами Ка+ (Рис.За). В масс-спектрах продуктов ацилирования и силилирования (измерениы с помощью матрицы АТ) пики ионов, соответствующие исходным олигомерам, практически отсутствуют, что свидетельствует о
количественном протекании реакций. Сдвиг массовых чисел ионов продуктов химической модификации соответствовал введению двух ацильных или триметилсшшльных остатков в молекулы олигомеров нолн(е-капролактон)диолов и грех ацильных или триметилсшшльных остатков в молекулы олигомеров поли(£-капролактон)триола (Рис.Зб), что указывает на наличие в исходных олшомерах двух и трех свободных гидроксильных групп соответственно. При использовании в качестве матрицы DHB и IAA в масс-спектрах продуктов дериватизации наблюдались пики ионов исходных олигиомеров, что объясняется матричным эффектом. Низкомолекулярных продуктов расщепления олигомеров ни в одном из случаев не наблюдалось, а картина молекулярно-массового распределения существенно не менялась.
4.7. Анализ силсесквиоксанов
В целях проверки возможностей методики для анализа элемеиторганических соединений были изучены олигомеры, полученные конденсацией из 3-(триметоксисилил)иропилового эфира метакриловой кислоты:
/
1 n V°\ кон.
—н q " олигомеры
О /°
В отличие от полисилоксанов, в мономерных звеньях которых атом кремния связан с двумя атомами кислорода, полисилсесквиоксаны содержат атомы кремния, связанные с тремя атомами кислорода (стехиометрическая формула [RSiOi.s]- При этом механизм реакции поликонденсации подразумевает образование не только полностью конденсированных сесквиоксанов, но и олигомеров, содержащих несколько гидроксильных групп. При оптимизации пробоподготовки наилучшие результаты были достигнуты с использованием в качестве матрицы DHB, а необходимости в использовании допанта не было. Анализ масс-спектров МАЛДИ силсесквиоксанов показал, что в основном они содержат пики олигомеров, катионизированных ионами Na"*, а молекулярные массы обнаруженных олигомеров варьируются в пределах 900-3000 Да (рис.4а).
Химическую модификацию силсесквиоксанов проводили без абсолютирования их растворов с использованием 30-кратного избытка дериватизирующего агента (БСТФА) и ультразвуковой активации реакционной смеси. Проведение триметилсилшшрования привело к практически полному исчезновению пиков ионов исходных олигомеров и появлению в спектре пиков катионизированных ионами Na+ производных, массовые числа которых отличаются на И * п Да (где п - число гидроксильных групп в соответствующем олигомере, а И- инкремент силильной группы) от массовых чисел пиков исходных соединений (рис.4б,
Табл.).
1408
Т ?
(Ме^Ю-^-О-^ 05|(Ме),
О О Т I
Рис.4.Масс-спектры МАДЦ'И (матрица 011 В) исходного (а) и триметилсилилированного (б) силсесквиоксана.
В некоторых случаях образования сшшловых эфиров не произошло, что свидетельствует о наличии в смеси полностью конденсированных сплсесквиоксанов, не содержащих гидроксильных групп. Попытка использования для химической модификации силсесквиоксанов ацилирующих реагентов удовлетворительных результатов не дала, поскольку не удалось добиться количественного протекания реакции дериватизации. Полученные же данные с применением силилирования позволили установить количество свободных гидроксильных групп в олигомерах и приписать им трехмерные и двухмерные («лестничными») структуры (Таблица). Следует также отметить, что использование
гриметилсилилироваиия привело к заметному улучшению соотношения сигнал/шум в масс-
спектрах МАЛДИ и возможности использования меньших энергий лазера.
Таблица. Массовые числа и предполагаемые структуры олигомеров и их производных, катнонизировшшых Ыа+, в диапазоне от 1200 до 1350 Да (в узлах трехмерных структур для удобства не изображен атом кремния; во всех структурах К=(СП2)зООСС(СНз)=СН2, К'=(СН;)2СН;ОН. п - число введенных триметилсилильных групп)
т/г
Структура
ТМС произв одное
ш/г
Структура
1235
но „
XX:
'он
1285
1303
но „
сЛ.%
XV
Р Р
I I I НО—51-0—БНО-ЭНО
аС
0 о о
1 I I / ЗНО-ЗЬО-ЭЬО I I I ОН К Я
ОН
N8
Н0 Г,
«ЛЬ
т/г 1523 (я=4)
1321
Р Я
I I I НО—^¡-0—51-0—31-0 он
ОН О О Бк р I I Л-Ч. .'О-ЗНО-Э-О
I I НО в к
я
т/: 1357 (я=1)
т/г 1519 (и=3)
ноч
но
ЗОТ"
1405
1455
НО
оЛ1в
ОН
N8*
4.7. Анапа цикподекстринов
Так как одной из важнейших областей применения масс-спектрометрии МАЛДИ является изучение биомолекул, разработанная методика определения числа свободных
гидроксильных групп была также опробована и на а- и Р-шшюдекстринах. При оптимизации условий пробоподготовки обнаружено, что наилучшие результаты достигаются при использовании в качестве матрицы АТ и допанта — ацетата натрия. Масс-спектры исходных соединений содержали индивидуальные пики катионизированных ионом натрия молекул. Поскольку молекулы шшюдекстринов содержат большое число свободных гидроксильных групп, для проведения дериватизации использовались жесткие условия: 60-кратный избыток дериватизирующего агента и проведение реакции в ультразвуковой бане в течении 2 суток. Тем не менее, масс-спектры продуктов ащширования циклодекстринов содержали пики ионов частично дериватпзированных молекул, что свидетельствует о не полном протекании реакции, причиной которой, по-видимому, являлись стерические затруднения для подхода к гидроксильным группам внутренней полости молекулы. В то же время масс-спектры продуктов силшшрования, измеренные с использованием АТ в качестве матрицы, содержали практически только пики ионов, соответствовавших модифицированным молекулам. Сдвиг массовых чисел ионов показал, что наиболее интенсивные пики ионов соответствовали введению в молекулу а-циклодекстрина 18 триметилсилильных групп, а в молекулу [3-циклодекстрина - 21 триметилсилилыюй группы. Вместе с тем, в масс-спектрах также присутствовали достаточно интенсивные пики ионов, массовые числа которых соответствовали введению 17 (интенсивность пика 9 отн.%), и 20 (интенсивности пика 12 отн.%) триметилсилильных групп соответственно. Этот факт указывает на недостаточно полное протекание реакции химической модификации. Однако полученные данные позволяют с высокой точностью устанавливать число свободных гидроксильных групп в таких полисахаридах.
5. Химическая модификация соединений с первичными амино-группами
Обычно химическая модификация амино-групп также заключается в количественном и легко протекающем замещении активных атомов водорода в них на остаток дериватизирующего агента. Очевидно, что в наибольшей степени этим условиям удовлетворяют реакции ацилирования. Однако такие реакции протекают как по первичным, так и по вторичным амнно-группам, что существенно усложняет анализ образующейся смеси продуктов. Поэтому, для обнаружения и определения числа свободных первичных аминогрупп нами предложено использовать реакцию с карбонильными соединениям, которая приводит к образованию имииов (оснований Шиффа). В качестве карбонильных соединений в данной работе были взята ацетон, бензальдегид, 4-метоксибензальдегид и 2,3-дигидроксибензальдегид.
5.1. Анализ низкомолекулярных полиэтилен- и полипропиленгликолей с концевыми аминогруппами
Низкомолекудярные полиэтилен и полипропиленгликоли с концевыми амино-группами и различными средними молекулярными массами (от 900 до 2000 Да) были выбраны в качестве модельных соединений при изучении возможности использования данного типа химической модификации для определения числа свободных амино-групп в аналитах. Оптимизация условий пробоподготовки показала, что оптимальное соотношение сигнал/шум достигается при измерении масс-спектров исходных соединений с использованием в качестве матрицы DHB в сочетании с допантом - трифторацетатом натрия. Масс-спектры МАЛДИ исходных олигомеров, зарегистрированные с использованием DIIB, ПАВА и 1АА как матриц, содержали преимущественно пики олигомеров, катионизированный натрием [M+Na]+ (Рис. 5). Химическая модификация исходных соединений проводилась с использованием 20-кратного избытка реагента и ультразвукового воздействия. В масс-спектрах продуктов химической модификации пики ионов исходных олигомеров отсутствовали. Сдвиг массовых чисел ионов продуктов химической модификации соответствовал введению в молекулы олигомеров двух алкилиденовых или бензилиденовых остатков, что подтверждает наличие в каждой олиго.мерной молекуле двух концевых первичных амино-групп (Рис. 6).
О
1
МН7 R'^R" R,
(СН2)/ 2 -►
п
R^ П ми R"" "Р" R Г ^ 1 ^ fj»
/О.
ч(снг)Г
-(СН2)к"
к=2,3 R1, R"=H, Me, Ph
~(СН2)к" n
R'
Рис.5. Масс-спектр МАЛДИ (матрица DHB) аминозамещенного полипропиленгликоля (М„ = 1800 Да).
щ
Рис.6. Масс-спектры МАЛДИ (матрица DHB) продукта модификации 4-метоксибензальдегидом аминозамещенного полипропиленгликоля (М„ = 1800 Да).
5.2. Анализ низкомолекулярных продуктов полимеризации азиридина
Разработанная методика химической модификации была использована для определения числа первичных амино-груии в низкомолекулярных продуктах полимеризации азиридина («полиэтилениминах», средние молекулярные массы 600 и 800 Да). В общем случае олигомеры имеют следующее «роение:
Н„1М.
Н '
^ N' п
nh2
Масс-спектры МАЛДИ исходных олигомеров, зарегистрированные с использованием DHB, HABA и 1АА как матриц, содержали преимущественно пики протонированных олигомеров [М+Н]+ (Рис. 7а). Химическую модификацию этих соединений проводили с использованием 50-кратного избытка реагента в ультразвуковой бане. Дериватизация «полиэтилениминов» ацетоном, бензальдегидом и 4-метоксибензальдегидом не дата удовлетворительных масс-спектрометрических результатов. Вероятно, в этом случае происходит количественное превращение амино-групп в иминопроизводные, поскольку в масс-спектрах МАЛДИ практически исчезают пики ионов исходных олигомеров. Вместе с тем пики ионов производных также отсутствуют, а подобрать экспериментальные условия, при которых выход ионов достиг бы удовлетворительных значений, не удалось. Только при использовании 2,3-дигидроксибензальдегида и DHB как матрицы получены хорошие и
воспроизводимые масс-спектры МАЛДИ производных. Наиболее вероятной причиной такого эффекта может служить тот факт, что иминные фрагменты, появившиеся при дериватизации в молекуле олигомера, близки по структуре молекуле матрицы, что облегчает сокристаллизацию последней и модифицированного олигомера и обеспечивает высокую эффективность ионизации. При этом масс-спектры МАЛДИ продуктов химической модификации содержали преимущественно пики олигомеров, катионизированный натрием [М+ЫаГ (Рис. 76).
И*» Г
! г- _.
.. - "Г--
»» число адонсллерных звеньев-14
Рис. 7. Масс-спектры МАЛДИ (матрица ОТО) полиэтиленимина (М„ =600) (а) и продукта его модификации 2,3-дигидроксибензальдегидом (б).
Полученные данные позволили установить число первичных амино-1рупп в каждом конкретном олигомере полиэтиленимина, а также установить зависимость числа первичных амино-групп от числа мономерных звеньев в полиэтиленимине (рис. 8).
Рис. 8. Зависимость числа ШЬ-групп от числа мономерных звеньев в олигомерах полиэтиленимина.
Основные результаты и выводы
1. Впервые показано, что использование дериватизационных методик для исследования соединений, содержащих свободные функциональные группы с активными атомами водорода, методом масс-спектрометрии МАЛДИ позволяет получить информацию о характере и числе таких групп. Показано, что предварительная химическая модификация аналитов может быть использована для различения циклических и линейных молекул олигомеров.
2. Разработаны методики пробоподготовки для измерения масс-спектров МАЛДИ и химической модификации различных типов аналитов, включая низкомолекулярные полиэтилен- и полипропиленгликоли, блок-соолигомеры этилен и полипропиленгликодей, этоксилированные и пропоксилированные глицерины, функционализированные полиалкиленгликоли, полиэтиленимины, замещенные сил сесквиоксаны, пол и сахари ды.
3. На основе анализа масс-спектров МАЛДИ химически модифицированных силсесквиоксанов установлено число функциональных групп в индивидуальных олигомерах, сделаны выводы об их «двухмерном» или «трехмерном» строении, обнаружены полностью конденсированные олигомеры.
4. Впервые предложено использование химической модификации путем образования оснований Шиффа для определения числа первичных амино-групп в олигомерных соединениях. Методика использована дня установления зависимости между массой олигомера, количеством мономерных звеньев и числом свободных амино-групп в полиэтилениминах.
5. Обнаружен матричный эффект, связанный с возможностью протекания реакции пересилилирования в совместном растворе модифицированного аналита и матрицы, при условия наличия в матрице функциональной группы с подвижным атомом водорода.
Основное содержание диссертационной работы изложено в следующих публикациях:
1. Зашеин В.Г., Борисов Р.С., Половков Н.Ю., Лободин В.В. Исследование синтетических алифатических сополиамидов методом время-пролётной масс-спектрометрин с матрично-активированной лазерной десорбцией/ионизацией // Известая Академии наук. Сер. хим. №7. 2007. С. 1320-1324.
2. Борисов Р.С., Половков Н.Ю., Заикин В.Г., Филатов С.Н. Дериватизация силсесквноксанов для определения структуры методом масс-спектрометрии с матрично-активированной лазерной десорбцией/ионизацией // Масс-спектрометрия. 2008.. Т. 5. №1. С. 25-37.
3. Zaikin V.G., Borisov R.S., Polovkov N.Yu., Filatov S.N., Kireev V.V. Preliminary silylation for structure determination of oligomeric silsesquioxanes by matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry // European Journal of Mass Spectrometry.
2009. Vol. 15(2). P. 231-238.
4. Borisov R.S., Polovkov N.Yu., Zaikin V.G. Derivatization aids in the detennination of end groups in poly(alkylene glycol)s by matrix-assisted laser desorption/ionization mass spectrometry // Rapid Communications in Mass Spectrometry. 2009. Vol. 23(20). P. 33093312.
5. Заикин В.Г., Борисов P.C., Половков Н.Ю., Куликова Л.Н. Дериватизация путем образования оснований Шиффа при исследовании синтетических полимеров с аминогруппами методом масс-спектрометрии МАЛДИ // Масс-спектрометрия. 2011. Т. 8. № 4. С. 259-263.
6. Borisov R.S., Polovkov N.Yu., Zaikin V.G. Preliminary Imination in Structure Determination of Amine Group Containing Polymers by MALDI-ToF Mass Spectrometry // Сборник тезисов международной конференции 59th ASMS Conference on Mass Spectrometry. США. Денвер. 2011. CD.
7. Борисов P.C., Половков Н.Ю., Заикин В.Г. Предварительное иминирование при исследовании полимеров с амино-группами методом масс-спектрометрии МАЛДИ // Сборник тезисов IV всероссийской конференции с международным участием «Масс-спектрометрия и её прикладные проблемы». Москва. 2011. С.100.
8. Половков Н.Ю., Борисов Р.С., Заикин В.Г. Предварительная дериватизация при исследовании полимеров с лабильными связями методом масс-спектрометрии МАЛДИ // Сборник тезисов IV всероссийской конференции с международным участием «Масс-спектрометрия и её прикладные проблемы». Москва. 2011. С. 111.
9. Жиляев Д.И., Борисов Р.С., Половков Н.Ю., Заикин В.Г. Эффект матрицы в масс-спектрах МАЛДИ дериватизированных алкоксилатов глицерина // Сборник тезисов IV всероссийской конференции с международным участием «Масс-спектрометрия и её прикладные проблемы». Москва. 2011. С. ИЗ.
10. Половков Н.Ю., Борисов Р.С. Предварительная химическая модификация полимеров с концевыми амино-группами для исследования методом масс-спектрометрии с источником МАЛДИ // Сборник тезисов XVIII международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2010». Секция «Химия». Москва. 2011. CD.
11. Половков Н.Ю., Борисов Р.С. Дериватизация синтетических полимеров для исследования методом масс-спектрометрии с источником МАЛДИ: эффект матрицы // Сборник тезисов XVII международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых учёных«Ломоносов-2010». Секция «Химия». Москва. 2010. CD.
12. Borisov R.S., Polovkov N.Yu., Zhilyaev D.I., Zaikin V.G. Matrix Effect in MALDI-ToF Mass Spectra of Derivatized Glycerol Ethoxylates // Сборник тезисов международной конференции 58tli ASMS Conference on Mass Spectrometry. США. Солт-Лейк-Сити.
2010. CD.
13. Борисов P.C., Половков НЛО., Заикин В.Г. Дериватизация синтетических полимеров для исследования методом масс-спектрометрии с источником МАЛДИ // Материалы
XXII украинской конференции по органической химии. Украина. Ужгород. 2010. С. 112.
14. Половков Н.Ю., Борисов Р.С. Химическая модификация синтетических полимеров для исследования методом масс-спектрометрии с источником МАЛДИ // Сборник тезисов XVI международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2009». Секция «Химия». Москва. 2009. CD.
15.Горяинов С.В., Борисов Р.С., Половков Н.Ю., Заикин В.Г. Определение концевых групп в минорных компонентах полиалкиленгликолей методом масс-спектрометрии МАЛДИ с помощью предварительной дериватизации // Сборник тезисов III всероссийской конференции с международным участием «Масс-спектрометрия и её прикладные проблемы». Москва. 2009. С. 147.
16. Половков Н.Ю., Борисов Р.С., Филатов С.Н., Заикин В.Г. Дериватизация силсесквиоксанов для исследования методом масс-спектрометрии с источником МАЛДИ // Сборник тезисов III всероссийской конференции с международным участием «Масс-спектрометрия и её прикладные проблемы». Москва. 2009. С. 149.
17. Борисов Р.С., Половков Н.Ю., Заикин В.Г. Дериватизация синтетических полимеров для исследования методом масс-спектрометрии с источником МАЛДИ // Сборник тезисов всероссийской конференции с международным участием «Масс-спектрометрия и её прикладные проблемы». Москва. 2009. С.132.
18. Борисов Р.С., Половков Н.Ю., Заикин В.Г. Предварительная химическая модификация аналитов для анализа методом МАЛДИ // Сборник тезисов 5-ой международной конференции молодых ученых по органической химии «InterYCOS 2009». Санкт-Петербург. 2009. С. 105-107.
19. Borisov R.S., Polovkov N.Yu., Zaikin V.G. End-group Determination in Minor Componente of Polyalkylene Glycoles by MALDI-ToF Mass Spcctrometry Following Preliminar}' Derivatization // Сборник тезисов международной конференции 57th ASMS Conference on Mass Spectrometry. США. Филадельфия. 2009. CD.
20. Борисов P.C., Половков Н.Ю. Матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация для исследования синтетических полимеров // Сборник тезисов VIII международной научно-практической конференции «Молодые ученые -промышленности,науке и профессиональному образованию: проблемы и новые решения». Москва. 2009. С. 105.
21. Половков НЛО., Борисов Р.С. Изучение реакции поликонденсации алифатических диаминов и хлорангидридов дикарбоновых кислот с помощью матрично-активированной лазерной десорбцией/ионизацией // Сборник тезисов XV международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов». Секция «Химия». Москва. 2008. CD.
22. Borisov R.S., Polovkov N.Yu., Kireev V.V., Zaikin V.G. Derivatization of Silsesquioxanes for Structure Elucidation by MALDI-ToF Mass Spectrometry // Сборник тезисов международной конференции 56th ASMS Conference on Mass Spectrometry'- CHIA. Денвер. 2008. CD.
23. Борисов P.C., Половков Н.Ю., Заикин В.Г. Изучение реакции поликонденсации алифатических диаминов и хлорангидридов дикарбоновых кислот с помощью матрично-активированной лазерной десорбцией/ионизацией // Сборник тезисов всероссийской конференции с международным участием «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы. Москва. 2007. ОУ-4.
24. Половков Н.Ю., Борисов Р. С., Сивов Н.А., Заикин В.Г. Исследование поли(Ы-вииилпирролидонов) различного происхождения методом масс-спектрометрии с матрично-активированной лазерной десорбцией/ионизацией // Сборник тезисов всероссийской конференции с международным участием «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы». Москва. 2007. ОС-24.
Половков Николай Юрьевич (Россия)
Химическая модификация аналнтов для анализа методом матрично-актнвнровамной лазерной дссорбцнн/ионизацни
Разработаны методики определения числа свободных гидроксильных и первичных амино-групп в индивидуальных олигомерах полиалкиленгликолей, функционализированных полиалкиленгликолеи, силсесквиоксанов, полиэтиленимшюв путем их химической модификатш с последующими анализом методом масс-спектрометрии МАЛДИ.
Nikolai Yu.Polovkov (Russia)
Chcmical modification of analvtes for the analysis by matrix-assisted laser desorbtion/ionization
The methods for the determination of the number of free hydroxyl groups and primary amino-groups in individual oligomers of polyalkylene glycols, ftjnctionalized polyalkylene glycols, silsequioxanes, polyethyleneimines on tlie basis of their derivatization followed by MALDI mass spectrometry of initial and derivatized samples were developed.
Подписано в печать 14.02.12. Формат 60x84/16. Тираж 100 экз. Усл. печ. л. 1,5. Заказ 139
Типография Издательства РУДЫ 117923, ГСП-1, г. Москва, ул. Орджоникидзе, д.З
61 12-2/284
РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ДРУЖБЫ НАРОДОВ
на правах рукописи
ПОЛОВКОВ НИКОЛАЙ ЮРЬЕВИЧ
Химическая модификация аиалитов для анализа методом матрично-активированной лазерной десорбции/ионизации
02.00.03. - органическая химия
Диссертация на соискание учёной степени кандидата химических наук
Научные руководители:
доктор химических наук, профессор Варламов А.В.
Москва, 2012 г.
Содержание
Введение............................................................................................................................................................5
Глава 1. Химическая модификация аналитов для масс-спектрометрических исследований с низкоэнергетичными («мягкими»)
методами ионизации (литературный обзор)........................................................................11
1.1. Низкоэнергетичные («мягкие») методы ионизации..........................................12
1.1.1. Химическая ионизация (ХИ)................................................................................................13
1.1.2. Химическая ионизация при атмосферном давлении (ХИАД) ......................14
1.1.3. Матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация
(МАЛДИ)............................................................................................................................................................15
1.1.4. Ионизация электрораспылением (ИЭР)......................................................................17
1.1.5. Масс-спектрометрия вторичных ионов (ВИМС) и бомбардировка быстрыми атомами (ББА) ..............................................................................................................................18
1.2.Химическая модификация соединений............................................................................19
1.2.1. Химическая модификация соединений, содержащих амино-группу— 19
1.2.2. Дериватизация соединений, содержащих карбоксильную группу... ... 27
1.2.3. Модификация соединений, содержащих гидроксилъную группу..............39
1.2.4. Модификация соединений, содержащих карбонильную группу..................49
Глава 2. Экспериментальная часть..................................................................................................57
2.1 .Оборудование и условия измерения масс-спектров............................................57
2.2 Исходные вещества и материалы..........................................................................................57
2.3 Пробоподготовка................................................................................................................................60
2.4. Химическая модификация аналитов................................................................................60
2.4.1. Химическая модификация модельных соединений..............................................60
2.4.2. Химическая модификация низкомолекулярных полиэтиленгликолей.. 60
2.4.3. Химическая модификация низкомолекулярных
полипропиленгликолей............................................................................................................................61
2.4.4. Химическая модификация соолигомеров полипропилен- и полиэтиленгликолей................................................................................................................................61
2.4.5. Химическая модификация алкоксилатов глицерина......... ............ 61
2.4.6. Химическая модификация низкомолекулярных продуктов полимеризации е-капролактона................................................... 61
2.4.7. Химическая модификация силсесквиоксанов............ ................. 62
2.4.8. Химическая модификация циклодекстринов............................. 62
2.4.9. Химическая модификация полиэтилен и полипропиленгликолей с концевыми амино-группами....................................................... 62
2.4.10. Химическая модификация низкомолекулярных продуктов полимеризации азиридина......................................................... 63
Глава 3. Общие принципы использования химической модификации для определения числа свободных функциональных групп с помощью
масс-спектрометрии с МАЛДИ.................................................... 63
Глава 4. Химическая модификация соединений со свободными гидроксильными группами.......................................................... 70
4.1. Разработка методов дериватизации модельных индивидуальных соединений............................................................................ 71
4.2. Анализ низкомолекулярных полиэтиленгликолей (ПЭГ)............. 77
4.3. Анализ низкомолекулярных полипропиленгликолей (11111)......... 91
4.4. Анализ низкомолекулярных соолигомеров полипропилен- и полиэтиленгликолей (11111/ПЭГ)................................................ 99
4.5. Анализ алкоксилатов глицерина............................................. 108
4.6. Анализ низкомолекулярных продуктов полимеризации е-капролактона.......................................................................... 115
4.7. Анализ силсесквиоксанов..................................................... 122
4.8. Анализ циклодекстринов................................................... 128
Глава 5. Химическая модификация соединений с первичными аминогруппами................................................................................. 133
5.1. Анализ низкомолекулярных полиэтилен- и полипропиленгликолей с концевыми амино-группами..................... 134
5.2. Анализ низкомолекулярных продуктов полимеризации
азиридина..........................................................................................................................................................143
Выводы......................................................................................................................................................................152
Список литературы........................................................................................................................................153
Введение
Актуальность темы. Масс-спектрометрия на сегодняшний день является одним из самых популярных инструментальных методов изучения, идентификации и установления строения различных органических соединений. Создание и быстрое развитие низкоэнергетических или «мягких» методов ионизации позволило использовать масс-спектрометрию в ранее недоступных областях, таких как исследование органических соединений с низкой летучестью и большими молекулярными массами. Одним из таких методов является матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация (МАЛДИ). Однако регистрируемые с помощью этого метода ионизации масс-спектры содержат пики только протонированных или катионизированных молекул, что пригодно для определения молекулярно-массовых характеристик аналитов, однако далеко не всегда позволяет устанавливать более тонкую структуру изучаемых соединений, одним из ключевых элементов которой являются свободные функциональные группы и их число. Важность этого параметра подчеркивается тем, что от него зависят как химические, так и физические свойства соединений. В некоторых случаях функциональные группы могут быть обнаружены с применением тандемной масс-спектрометрии и распада ионов после источника, а также с использованием масс-спектрометрии ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье. Однако применение этих методов в случае олигомерных систем далеко не всегда позволяет получить удовлетворительные результаты. Поэтому разработка новых
методологических принципов установления тонкой структуры аналитов остается остроактуальной задачей.
Одним из способов решения такой задачи представляется использование простых методов химической модификации аналитов (силилирование, ацилирование, алкилирование, образование оснований Шиффа и проч.) с последующим сравнительным анализом масс-спектров
МАЛДИ исходных веществ и полученных производных. Такие подходы
5
широко используются в практике газовой хроматографии/масс-спектрометрии. Однако в масс-спектрометрии с «мягкими» методами ионизации дериватизация в большинстве случаев используется исключительно для увеличения эффективности ионизации аналитов. Поэтому разработка методологии использования химической модификации для решения задач установления особенностей строения аналитов с помощью масс-спектрометрии с низкоэнергетическими методами ионизации является актуальной при создании экспрессных и эффективных структурно-аналитических методов современной химии.
При этом следует учитывать, что использование дериватизационного подхода в случае соединений с большим числом функциональных групп предъявляет высокие требования к количественности протекания реакций химической модификации, поскольку именно этот параметр влияет на однозначность определения числа и характера функциональных групп. Не меньшую проблему представляет и эмпирический характер подбора условий измерения масс-спектров МАЛДИ: типа используемой матрицы, соотношения матрицы и аналита, методов нанесения их на мишень, использование допантов. Поэтому особую актуальность приобретает разработка стандартных протоколов пробоподготовки для различных типов органических соединений и их производных.
Работа выполнена на экспериментальной базе Института нефтехимического синтеза им. А.В Топчиева РАН и поддержана Программой фундаментальных исследований Президиума Российской академии наук «Создание и совершенствование методов химического анализа и исследования структуры веществ и материалов».
Цель и задачи исследования. В настоящей работе поставлены цели: разработать общие подходы к применению химической модификации функциональных групп для определения тонкой структуры аналитов различного строения с помощью масс-спектрометрии МАЛДИ;
изучить возможность использования разработанных подходов для
6
определения числа и характера свободных функциональных групп (гидроксильных, первичных амино-групп) в различных типах соединений и промышленных продуктов.
Для достижения этих целей необходимо было решить следующие задачи:
-определить экспериментальные условия для измерения масс-спектров МАЛДИ различных полиалкиленгликолей, функционализированых полиалкиленгликолей, силсесквиоксанов, циклических полисахаридов и продуктов полимеризации азиридинов (полиэтилениминов): подобрать тип матрицы, определить необходимость использования допантов и условия пробоподготовки;
-разработать методики микросинтеза производных различных типов
аналитов с использование простейших дериватизирующих агентов
(ацилирующих, силилирующих, карбонильных соединений), позволяющие
получать производные с количественными выходами;
-определить экспериментальные условия для измерения масс-спектров
МАЛДИ получаемых производных, изучить влияние условий измерений
масс-спектров на их химическую устойчивость;
-разработать методики определения числа свободных гидроксильных
групп и первичных амино-групп в изучаемых соединениях путем анализа
изменения массовых чисел катионизированных или протонированных
молекул аналитов в масс-спектрах МАЛДИ;
-на основе разработанных методик определить число свободных
гидроксильных групп и первичных амино-групп в индивуальных
соединениях и олигомерах различных полиалкиленгликолей,
функционализированых полиалкиленгликолей, силсесквиоксанов,
полиэтилениминов.
Научная новизна. Впервые проведено систематическое исследование
возможности использования предварительной химической модификации в
сочетании с масс-спектрометрией МАЛДИ для определения числа и типа
7
свободных гидрокснльных и первичных амино-групп в индивидуальных олигомерах различных полиалкиленгликолей, функционализированых полиалкиленгликолей, силсесквиоксанов, циклических полисахаридов и продуктах полимеризации азиридинов (полиэтилениминах).
Показано, что применение дериватизации (силилирования и ацилирования) для характеризации полиалкиленгликолей позволяет однозначно определять число свободных гидроксильных групп в них, дифференцировать линейные и циклические олигомеры, рассчитывать число мономерных звеньев в индивидуальных олигомерах сополимеров. Выявлено проявление матричного эффекта в масс-спектрах продуктов триметисилилирования указанных соединений, заключающиеся в миграции триметилсилильной группы в процессе сокристализации матрицы и аналита на более реаакционоспособные функциональные группы матричных соединений.
Установлено, что в случае полисилсесквиоксанов использование предварительной химической модификации дает возможность устанавливать число свободных гидроксильных групп в олигомерах и дифференцировать их двухмерные и трехмерные формы.
На примере биодеградируемых продуктов полимеризации е-капролактона показано, что образующиеся в ходе химической модификации продукты деструкции дериватизирующих агентов не разрушают полимеры и не влияют на молекулярно-массовые характеристики аналитов.
Показано, что использование разработанной методики для установления числа свободных функциональных групп в полисахаридах осложнено не количественным протеканием реакций дериватизации.
Получение оснований Шиффа из соединений с первичными аминогруппами позволяет определять их число в функционализированных полиалкиленгликолях и полиэтилениминах, а также устанавливать связь между молекулярной массой, числом мономерных звеньев и количеством
первичных амино-групп в индивидуальных олигомерах.
Практическая значимость. Полученные результаты существенно расширяют границы применения масс-спектрометрии МАЛДИ в области изучения особенностей строения олигомеров. Разработанные методики определения количества свободных функциональных групп в индивидуальных олигомерах различного происхождения позволяют контролировать реакции, используемые для их получения, определять характеристики синтезируемых и закупаемых материалов. На защиту выносятся следующие положения:
-методики измерения масс-спектров МАЛДИ различных
полиалкиленгликолей, функционализированых полиалкиленгликолей,
силсесквиоксанов, циклических полисахаридов и полиэтилениминов и
продуктов их химической модификации;
-методики количественного микросинтеза производных
полиалкиленгликолей, функционализированых полиалкиленгликолей,
силсесквиоксанов, циклических полисахаридов и полиэтилениминов;
-методики определения числа свободных гидроксильных групп и
первичных амино-групп в изучаемых соединениях путем анализа изменения
массовых чисел катионизированных или протонированных молекул аналитов
в масс-спектрах МАЛДИ.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены на
56-й конференции Американского масс-спектрометрического общества (1-5
июня 2008, США, Денвер, США), 57-й конференции Американского масс-
спектрометрического общества (1-4 июня 2009 г„ Филадельфия, США), III-
ей Всероссийской конференции с международным участием "Масс-
спектрометрия и её прикладные проблемы" (18-22 мая 2009г., Москва,
Россия), XVI Международной конференции студентов, аспирантов и
молодых ученых «Ломоносов», Секция «Химия», (14 - 17 апреля 2009 г.,
Москва, Россия), 58-й конференции Американского масс-
спектрометрического общества (23-27 мая 2010 г., Солт-Лейк-Сити, США),
XVIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых
9
ученых «Ломоносов», Секция «Химия», (11 - 15 апреля 2011 г., Москва, Россия), 1У-ой Всероссийской конференции с международным участием "Масс-спектрометрия и её прикладные проблемы" (05-09 сентября 2011 г., Москва, Россия), 59-й конференции Американского масс-спектрометрического общества (5-9 июня 2011 г., Денвер, США).
Публикации. По материалам работы опубликовано 5 статей (все в журналах, рекомендованных ВАК Российской Федерации) и 19 тезисов в сборниках докладов научных конференций.
Структура и объём работы. Диссертация объёмом 163 страницы, состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, трех глав обсуждения результатов работы и выводов. Содержит 17 таблиц и 55 рисунков. Библиография включает 93 названий.
Глава 1. Химическая модификация аналитов для масс-спектрометрических исследований с низкоэнергетичными («мягкими») методами ионизации (литературный обзор)
Введение
Химическая модификация соединений для аналитических целей (дериватизация) является одним из важнейших и постоянно развивающихся направлений химии. Необходимость дериватизации определяется применяемым для исследования органических соединений инструментальным методом анализа. В газовой хроматографии, например, ее применение связано с получением более летучих соединений, снижением полярности функциональных групп, и, как следствие, улучшением хроматографических свойств вещества, либо с получением продуктов, специфичных для определенного типа детекторов. Для жидкостной хроматографии с применением спектрофотометрических и флуориметрических детекторов дериватизация позволяет получать соединения, чувствительные к данному типу детекторов.
Химическая модификация низкомолекулярных органических соединений и олигомеров находит широкое применение и в масс-спектрометрии, поскольку позволяет достичь большей вероятности установления строения исследуемого соединения и высокой точности количественных определений. Свою специфику имеет дериватизация при масс-спектрометрическом исследовании аналитов с применением низкоэнергетических неразрушающих методов ионизации, таких как химическая ионизация (ХИ), химическая ионизация при атмосферном давлении (ХИАД), ионизация электрораспылением (ИЭР) и матрично-активированная лазерная десорбция/ионизация (МАЛДИ).
Можно выделить основные цели дериватизации для этих видов масс-спектрометрии [1]:
-увеличение эффективности ионизации соединения, а следовательно и чувствительности метода путем усиления его поверхностной активности (например гидрофобности) или введения в молекулу фрагмента несущего фиксиров�
