Совершенствование безинкрементной аддитивной схемы оценки индексов удерживания для хромато-масс-спектрометрической идентификации продуктов регионеселективных органических реакций тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.02 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ОЦЕНКИ ИНДЕКСОВ УДЕРЖИВАНИЯ ДЛЯ ХРОМАТО-МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПРОДУКТОВ РЕГИОНЕСЕЛЕКТИВНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Специальность 02. 00. 02 - Аналитическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата химических наук

1 С ОЕЗ Ш

Санкт-Петербург 2012

005011597

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете на кафедре органической химии, лаборатория газовой хроматографии

Научный руководитель доктор химических наук, профессор

Санкт-Петербургского государственного университета Зенкевич Игорь Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор химических наук, профессор

Санкт-Петербургского государственного лесотехнического университета Пономарев Дмитрий Андреевич

доктор химических наук, профессор кафедры аналитической химии Санкт-Петербургского государственного университета Поваров Владимир Глебович

Ведущая организация: Химический факультет, Московский

государственный университет им. М.В. Ломоносова

Защита диссертации состоится 01 марта 2012 года в 15°° на заседании диссертационного совета Д 212.232.37 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете по адресу: 199034, Санкт-Петербург, Средний проспект В.О., д. 41/43, БХА.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке им. A.M. Горького по адресу: 199134, Санкт-Петербург, Университетская наб., д. 7/9.

Автореферат разослан «JrV » января 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

/ к. ф-м. н. Панчук В.В./

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность

Газовая хромато-масс-спектрометрия (ГХ-МС) сочетает возможности определения веществ в составе сложных смесей и их идентификации с использованием спектральной информации. Современные капиллярные газохроматограф ические колонки обеспечивают эффективное разделение веществ с близкими физико-химическими свойствами. Высокий уровень компьютеризации процесса анализа обеспечивает необходимую точность и воспроизводимость результатов. Высокая воспроизводимость масс-спектров электронного удара предопределила возможность создания соответствующих баз данных (например, NIST/EPA/NIH, USA), что позволило проводить интерпретацию масс-спектров в автоматическом режиме.

Кроме того, метод ГХ-МС допускает возможность дополнения масс-спектральной информации хроматографическими параметрами удерживания, наиболее воспроизводимой формой которых являются индексы удерживания (ИУ, RI).

Главной из объективных предпосылок необходимости дополнения масс-спектров значениями ИУ является возможность наличия в анализируемых образцах многочисленных изомерных соединений, масс-спектры которых могут быть близки между собой. Современные масс-спектрометрические методы зачастую не позволяют различать изомеры без привлечения труднодоступных образцов сравнения, поиск которых по временным затратам может многократно превосходить сам анализ. Особенности индивидуальной фрагментации можно выявить... при интерпретации спектров ионов-продуктов в МС-МС, но сопоставить конкретный компонент образца с конкретным изомером можно только при использовании образцов сравнения. Следовательно, непосредственное сравнение масс-спектров изомеров позволяет различить, но не установить структуры соединений.

Наличие достаточно представительных баз известных к настоящему времени индексов удерживания позволяет использовать их для расчета ИУ не известных, или еще не охарактеризованных структур. Принципиально новым алгоритмом совместного использования масс-спектров и ИУ является способ, основанный на предварительной оценке индексов удерживания для предполагаемых структур анализируемых соединений. Этот вариант интерпретации данных более соответствует термину «установление структуры».

Настоящая работа посвящена расширению аналитических возможностей существующих подходов к совместной интерпретации масс-спектрометрической и хроматографической информации, предполагающих учет газохроматографических индексов удерживания, и распространение предлагаемого методического подхода к идентификации органических соединений на продукты регионеселективных органических реакций.

Дополнительным подтверждением актуальности рассматриваемой проблемы является включение работы по теме диссертации в грант РФФИ 08-03-00980. Цель работы

Совершенствование безинкрементной аддитивной схемы оценки газохроматографических индексов удерживания с целью совместного использования хроматографической и масс-спектрометрической информации для идентификации органических соединений, входящих в состав сложных смесей, при отсутствии для них как масс-спектрометрических, так и хроматографических справочных данных и ее проверка на примере идентификации продуктов регионеселективных органических реакций. В связи с поставленной целью необходимо было решить следующие задачи:

1. Обосновать основные элементы алгоритма совместной интерпретации хроматографической и масс-спектрометрической информации, включающего оценку ИУ с использованием безинкрементных аддитивных схем, а также последовательность их применения;

2. Синтезировать ряд смесей продуктов регионеселективных органических реакций и провести их ГХ-МС анализ, в том числе:

- алкилирование бензола и алкиларенов алифатическими спиртами;

- алкилирование фенола алифатическими спиртами;

- конденсация алифатических, алициклических и ароматических карбонильных соединений;

- свободнорадикальное хлорирование циклогексана;

- свободнорадикальное хлорирование диалкиловых эфиров;

3. Обосновать критерии отбора справочной информации по газохроматографическим индексам удерживания при использовании модифицированных аддитивных схем.

4. Провести идентификацию компонентов реакционных смесей продуктов регионеселективных реакций с использованием выбранного подхода; Научная новизна

Обоснованы подходы к использованию безинкрементных аддитивных схем расчета газохроматографических индексов удерживания для совместной интерпретации с масс-спектрами в хромато-масс-спектрометрических экспериментах, включая выявление способов контроля правильности идентификации аналитов на основе расчетных значений индексов;

Выявлены ограничения в использовании справочной информации по индексам удерживания при расчетах с использованием аддитивных схем. Показано, что линейное кодирование структур молекул позволяет формализовать такие ограничения и предложить способы их устранения;

Эффективность предлагаемого подхода к идентификации органических соединений в сложных смесях подтверждена на примере продуктов регионеселективных органических реакций. Практическая значимость работы

Рекомендации по анализу и ГХ-МС идентификации продуктов регионеселективных органических реакций важнейших типов, включая

апкилирование с участием карбениевых ионов, свободнорадикальные процессы и межмолекулярную конденсацию.

В целом, в ходе работы идентифицировано более 140 соединений ранее не охарактеризованных ни масс-спектрами, ни параметрами удерживания. Полученная аналитическая информация может быть включена в современные базы данных.

Идентификация органических соединений в сложных смесях на принципах предложенного методического подхода не требует модификаций существующих аналитических процедур. Положения выносимые на защиту

1. Выявление ограничений безинкрементных аддитивных схем оценки индексов удерживания с использованием линейного кодирования структур молекул.

2. Безинкрементные аддитивные схемы для расчета газохроматографических индексов удерживания и идентификации продуктов регионеселективных органических реакций разных типов, в том числе региоизомеров и диастереомеров.

3. Алгоритм совместного использования газохроматографических индексов удерживания и масс-спектрометрической информации. Доказательство эффективности предложенного алгоритма на примерах идентификации компонентов сложных смесей органических соединений.

Публикации и апробация работы

Материалы диссертационной работы опубликованы в 5 статьях и 6 тезисах докладов. Результаты исследований представлены на международных и всероссийских конференциях: «Теория и практика хроматографии. Хроматография и нанотехнологии» (Самара, 6-10 июля 2009 г.); Universities contribution in the organic chemistry progress (St. Petersburg, Russia, 22-25 June, 2009); «Хроматография - народному хозяйству» (г. Дзержинск, 19-23 апреля 2010 г.); Chromatographic methods of investigating the organic compounds (Katowice, Poland, 24-26 May, 2010); Всероссийская конференция «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы» Россия. Москва. 6-9 сентября 2011 г; городской семинар по органической химии РХО им. Д.И. Менделеева (январь 2010 года). Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, 6 глав с обсуждением полученных результатов, выводов, заключения и списка цитируемой литературы (127 наименований). Работа изложена на 182 страницах машинописного текста, содержит 10 рисунков, 48 таблиц и 51 схему.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности темы и сформулированы цели работы.

1-я глава (обзор литературы) включает разделы, посвященные характеристике известных хроматографических параметров удерживания, а также известных методов расчета газохроматографических индексов (ИУ) -наиболее воспроизводимой формы таких параметров. Специально рассмотрена безинкрементная (модифицированная) аддитивная схема (Zenkevich, е.а. 2004), используемая в настоящей работе. Суть безинкрементной аддитивной схемы можно кратко выразить следующим образом: индекс удерживания соединения ABCD является суммой индексов удерживания соединений ABC и BCD, за вычетом индекса удерживания соединения ВС:

ABC + BCD - ВС = ABCD

При этом сначала проводится «сборка» целевой структуры из структур «предшественников». Арифметические операции с индексами удерживания соответствуют выбранной схеме.

Отдельный раздел посвящен рассмотрению ограничений масс-спектрометрии при установлении структуры органических соединений. В заключительной части обзора охарактеризованы известные на данный момент подходы к совместному использованию хроматографической и масс-спектрометрической информации.

Во 2-й главе (экспериментальная часть) рассмотрены объекты и методы исследования, в том числе получение и анализ реакционных смесей.

Хромато-масс-спектрометрический анализ выполняли на приборах: QP5000 и QP2010Plus (Shimadzu, Япония), 5975С и 7000 - с тандемным детектированием (Agilent Technologies, США).

Хроматографический анализ выполняли на газовом хроматографе с пламенно-ионизационным детектором «Цвет-100». Для представления экспериментальных данных использованы линейно-логарифмические индексы.

В 3-й главе (обсуждение результатов) рассмотрена характеристика возможностей нового подхода при интерпретации результатов хромато-масс-спектрометрического анализа продуктов регионеселективных органических реакций. Особенностью таких объектов является сложный компонентный состав, невозможность выделения отдельных компонентов в индивидуальном виде и, как правило, отсутствие для них как масс-спектрометрической, так и хроматографической справочной информации. Для решения указанной предложенной задачи выбраны реакционные смеси продуктов алкилирования алкиларенов и фенола (включая побочные продукты) алифатическими спиртами в условиях реакции Фриделя-Крафтса. Кроме того, рассмотрены результаты идентификации компонентов смесей продуктов регионеселективных реакций (свободно-радикальное хлорирование циклогексана и диалкиловых эфиров), включая регио- и стереоизомеры, а

также продуктов конденсации алифатических, алициклических и ароматических карбонильных соединений.

Сформулированы основные рекомендации по использованию справочной информации по индексам удерживания при вычислении ИУ с использованием аддитивных схем.

В разделе 3.1 рассмотрена идентификация компонентов смесей структурных изомеров, которые включают продукты алкилирования бензола, алкилбензолов и фенола алифатическими спиртами. Перечень компонентов можно охарактеризовать как смесь позиционных и структурных изомеров, так как промежуточно образующиеся в ходе реакции карбениевые ионы могут претерпевать различные перегруппировки.

х

ROH

[Н] " -rR+-

X = Н, Alk, ОН R = Alk Актуальность рассматриваемой задачи можно проиллюстрировать на примере алкиларенов (разделы 3.2.1 и 3.1.2). Доля соединений охарактеризованных масс-спектрами стремительно уменьшается с увеличением числа углеродных атомов в молекуле, а именно: масс-спектрами охарактеризовано 8 из 8 изомерных пентилбензолов и только 5 из 89 октилбензолов, то есть всего 6 % от их общего числа.

Задача идентификации компонентов смесей продуктов реакции алкилирования ароматических соединений дополнительно осложняется тем, что помимо изомеров, отличающихся структурой алкильных заместителей, возможно образование изомеров, отличающихся положением заместителя в бензольном кольце (орто- и тара-изомеры).

В качестве примера использования нового типа аддитивных схем можно привести оценку ИУ (2-метилбутил)бензола по данным для охарактеризованных соединений, которую можно выполнить, как минимум, двумя способами:

Способ 1. С использованием ИУ соединений только этого же класса:

ИУЖП1102 ИУЖ1[ 992 ИУЖП 1041 ИУэга1940

ИУвычисл 1093

Способ 2. С использованием ИУ алканов и алкиларенов:

ИУЭКСП1102 ИУЭКСП 992 ИУэксп 578 ИУЭКСП465

В таблице 1 сопоставлены результаты расчета ИУ некоторых изомерных пентилбензолов двумя способами. Более полный вариант таблицы приведен в тексте диссертации.

Таблица 1 - Иллюстрация возможностей аддитивной оценки индексов

Изомер ИУЭКСП ИУВЬ1ЧИСЛ (1) ИУвыЧИСЛ (2)

(1,1 -Диметилпропил)бензол 1083 1067 1059

(2-Метилбутил)бензол 1102 1103 1093

(З-Метилбутил)бензол 1107 1105 1095

(1 -Этилпропил)бензол 1071 1108 1078

Среднее значение |ИУЭКСП - ИУВЫЧЯСЛ| 13 10

Как следует из приведенных данных, среднее отклонение результатов не превышает 10-13 единиц индекса. В настоящей работе мы предпочли способ 2 как более удобный в использовании, так как РТУ охарактеризовано большее количество изоалканов, чем изоалкиларенов.

На примере алкилбензолов показано, что подход к идентификации соединений с использованием аддитивных схем расчета ИУ позволяет с достаточной степенью достоверности устанавливать структуры соединений, содержащих заместители изо-структуры, когда интерпретация масс-спектральной информации не приводит к однозначным ответам.

При алкилировании фенола алифатическими спиртами (раздел 3.1.3) в присутствии А1С13 могут образовываться соединения различных классов:

C4H0

C4H0

с<н9он

С,н7

А1С13 PhOH

-С.н,

С4Н9

-С3н7

С4Н9 C4H9

IV

VI

I - бутилфениловые эфиры, II - бутилфенилбутиловые эфиры, III -бутилфенолы, IV - дибутилфенолы, V - пропилфенолы, VI -бутенилфенолы, VII- 1,1-бмс(гидроксифенил)алканы.

Расчет ИУ бутилфенолов проводили следующим образом: за исходную структуру выбирали о-трет-бутилфенол для расчета ИУ оршо-изомеров и п-трет-бутилфенол для расчета ИУ «ара-изомеров, соответственно. Затем соответствующий /иреяг-бутилфенол «складывали» с бутилбензолом (справочные индексы удерживания известны для всех четырех изомеров) и «вычитали» структуру /ире/и-бутилбензола.

ОН он

6-« = (к* О*-

Выбор именно такой схемы вычисления ИУ объясняется необходимостью учета положения алкильного заместителя, а также некоторыми другими факторами, которые подробно рассмотрены в тексте диссертации.

На примере идентификации алкилфенолов проведено сравнение различных известных методов вычисления газохроматографических индексов удерживания, а именно:

- на основании температур кипения (Т^ш);

- с использованием групповых инкрементов (схема МБТ);

на основании компьютерного моделирования молекулярно-

динамических процессов (ЕТОт);

- на основе модифицированной аддитивной схемы.

Таблица 2 - Результаты оценки индексов удерживания с использованием расчета по температурам кипения, системы групповых инкрементов (№БТ) и модифицированной аддитивной схемы (3) в сравнении с результатами расчетов полных энергий молекул методами молекулярной динамики_

Вычисленные индексы удерживания Заместитель в Схема иу Етот

молекуле фенола по Ткип Адд. схема эксп 300К

2-изобутил- _* 1248 1292 1270 48.92

2-/и/?е/и-бутил- 1275 1228 _** 1272 47.79

2-бшо/)-бутил - 1248 1294 1279 47.76

2-н-бутил 1315 1312 1338 1321 43.84

4-я;реда-бутил 1317 1228 .** 1297 46.58

4-изобутил 1310 1248 1314 1312 45.82

4-втор-бутил 1329 1248 1316 1319 47.70

4-н-бутил 1367 1312 1360 1360 41.89

* - нет данных по температурам кипения.

** - Исходные структуры для расчетов ИУ с использованием аддитивных схем.

Пример идентификации продуктов алкилирования фенола бутиловыми спиртами показывает, что модифицированная аддитивная схема является наиболее простым и доступным методом расчета параметров удерживания, характеризующимся высокой точностью оценок. В составе реакционных смесей идентифицировано 32 компонента.

В разделе 3.2 рассмотрена идентификация компонентов смесей не изомеров, а конгенеров и диастереомеров, образующихся в реакциях свободнорадикального хлорирования. Установление структуры таких диастереомеров современными методами масс-спектрометрии невозможно без использования образцов сравнения.

Раздел 3.2.1 посвящен идентификации продуктов свободнорадикального хлорирования циклогексана, для чего была использована рассматриваемая в настоящей работе безинкрементная аддитивная схема ИУ. В качестве примера можно привести расчет ИУ \г-цис-

2-г/г/с-3-т/?анс-4-тетрахлорциклогексана трихлорциклогексанов:

исходя из структур ди-

CI

ИУ

В1

CI

CI

¿с: -се-

1247±4

CI

вычисл 1306±4

ИУЭКСП 1251±2

ИУ, ИУЗКСП 1303±2

ИУ.

CI

ИУвычисл 1463±7 ИУэкга 1459±3

150 200 250 340 350 400 450 SM S50 600 650 700 750 800 сек

Рисунок 1 - Хроматограмма образца реакционной смеси хлорирования циклогексана.

Рисунок 1 иллюстрирует количество компонентов в реакционной смеси продуктов хлорирования циклогексана, все из которых были идентифицированы с помощью вычисления ИУ по модифицированной аддитивной схеме. Стоит еще раз подчернуть, что установление структур таких соединений не представляется возможным современными методами хромато-масс-спектрометрии.

В таблице 3 представлены результаты идентификации некоторых полихлорциклогексанов на основании вычисленных значений ИУ. Более полный вариант таблицы приведен в тексте диссертации.

Продукт хлорирования ИУ rA J вычисл ИУ * * А J эксп ДИУ***

1,1,2-транс-Ъ -тетрахлорциклогексан 1356 1352 4

1,1,2,2-тетрахлорциклогексан 1367 1368 1

1,1,2-от/)анс-4-тетрахлорциклогексан 1370 1372 2

1,1,2-т/?анс-5-тетрахлорциклогексан 1374 1376 2

1,1,2-г/ис-4-тетрахлорциклогексан 1378 1380 2

1 -транс-2-цис-4-транс-5-тетрахлор-

циклогексан 1396 1390 6

\-цис-2-транс-3-цис-4-тетрахлор-

циклогексан 1404 1394 10

1,1,2-г/мс-5-тетрахлорциклогексан 1407 1408 1

1,1,2-г/мс-З-тетрахлорциклогексан 1415 1414 1

1-транс-2-цис-4-цис-5-тетрахлор-

циклогексан 1455 1447 8

* - ИУ компонентов смеси продуктов хлорирования циклогексана.

** - ИУ компонентов смеси продуктов хлорирования 1,1-дихлорциклогексана.

*** - Разности между вычисленными и экспериментальными значениями индексов удерживания.

Как видно из приведенных данных среднее отклонение вычисленных значений от экспериментальных составляет всего 4 ед.инд.

При всех преимуществах, рассматриваемый алгоритм вычисления ИУ нуждается в проверке. Одним из методов контроля является ограничения числа продуктов реакции путем варьирования исходных субстратов. Хлорирование 1,1-дихлорциклогексана приводит к образованию всего трех из 12 трихлоридов и 15 из 32 тетрахлоридов, что может быть использовано для проверки правильности их идентификации в реакционных смесях. Другим критерием служит сходимость результатов, полученных при повторении всей процедуры идентификации, включая расчет ИУ и анализ реакционных смесей в иных условиях, т.е. иных приборах. Третий критерий предполагает сравнение расчетных значений ИУ ранее охарактеризованных соединений с экспериментальными величинами

С1 С1 С1 С1

::с • с:; • о - :;сс;

С1 С1 С1 С1

ИУ ИУ 1111 ±4

ИЛ/ 1П0+9 + ИЛ/ 1140+') =>кп вычисл 1-

*1Увь™сл + пувычисл11^±г 978±3 ИУЭКСП 1726

На схеме приведено вычисление ИУ известного соединения - 1г-транс-2-транс-3-цис-4-транс-5-транс-6-гексахлорц}1клогексана (у-гекса-хлорциклогексан, линдан), с использованием вычисленных ИУ тетрахлорциклогексанов. Небольшое отклонение экспериментального значения от рассчитанного служит критерием надежности идентификации с использованием рассматриваемой аддитивной схемы.

В разделе 3.2.2 рассмотрено вычисление ИУ полиметилциклогексанов, которое выполняли по аналогичной схеме. Полученное среднее отклонение экспериментальных значений ИУ от вычисленных (15 ед.инд.) вполне удовлетворительно для целей идентификации этих соединений, но выше чем аналогичное значение для полихлорциклогексанов (4 ед.инд.), что связано с большим разбросом справочных значений ИУ соединений этой группы.

В разделе 3.2.3 рассмотрена идентификация продуктов хлорирования диалкиловых эфиров.

С12

ргсн2сж' —- р*снс1сж' + иса2сж' + рсо^' +...

Сложности хромато-спектрального установления структуры хлорированных диалкиловых эфиров обусловлены как неопределенной региоселективностью хлорирования эфиров, так и нестабильностью их а-хлорпроизводных.

До начала настоящей работы масс-спектры были известны для всего пяти хлорпроизводных ОрСЦ диметилового эфира, четырех С1гС12 производных диэтилового эфира, семи С1,-С14 производных диизопропилового эфира и некоторых других. Еще более ограничены сведения об ИУ соединений этого класса. Наиболее подробно охарактеризованным из них закономерно оказался 2,2'-дихлордиэтиловый эфир (хлорекс), широко применяемый в промышленности в качестве растворителя.

а-Монохлорпроизводные диалкиловых эфиров, содержащие две функциональные группы в геминальных положениях, должны обладать минимальными параметрами удерживания среди прочих изомеров. Для оценки соответствующего им среднего значения ДМ = И (1-С1СпН2п011) - М (С„Н2г,иОЯ) необходимо сопоставить данные для нескольких представителей этой группы продуктов хлорирования:

Таблица 4 - Оценки ДМ = М (1-С1СпН2п(Ж) - М (СпН2пЧОН.)

а-хлорпроизводное ИУ Нехлорированный аналог ИУ Разность ИУ

СН3ОСНС1СН3 598±8 СН3ОС2Н5 421 ±7 177

(СН3СНС1)20 772±6 (С2Н5)20 485±10 2*144

С2Н5ОСНС1СН2С1 856±7 С2Н5ОСН2СН2С1 706±7 150

С4Н9ОСНС1СзН7 1052±3 (С4н9)20 875±4 177

Среднее значение ДМ 162±17

Среди возможных продуктов хлорирования диалкиловых эфиров помимо хлорэфиров могут обнаруживаться хлорпроизводные карбонильных соединений, а также эфиры карбоновых кислот, что обусловлено гидролизом а,а'-дихлорпроизводных:

Г'

Я—[—С1 И'

Г'

К—|—С1

Н20 -[ГОН

-[ГОН

он

-НС1

ИСОК'

Я—|—С1

Я'

О И" И—|—С1 С1

-НС1

РСОгИ"

Такие возможности расчета хроматографических параметров в значительной степени компенсируют отсутствие соответствующей справочной информации (в том числе масс-спектров) в современных базах данных для хлорпроизводных простых эфиров.

В разделе 33 рассмотрена идентификация компонентов смесей регио-и стереоизомеров, образующихся в результате конденсации простейших карбонильных соединений: ацетона, циклогексанона, ацетофенона, пропиофенона и бензальдегида. Как и в других случаях, идентификация

основана на совместной интерпретации масс-спектров и хроматографических параметров удерживания на стандартных неполярных фазах. Приведем пример расчета ИУ циклогексилиденпропанона-2. Вычисление проводили несколькими способами; ненадежные значения отбрасывали, а остальные усредняли.

НзСч,

х

Н3С СНз

ИУэксп 783±3 +

н3с

ИУЭКСП 871 ±2

ИУзксп 516±3 =

Н3С СНз

ИУэксп 720±5 + ИУЭКСП 871 ±2

н3с^ н3с сн

ИУэксп 468±5 =

1123±7

Некоторые варианты оценки ИУ циклогексилиденпропанона-2

Вариант «сборки» целевой структуры, приводящий к значению 1123±7, не является суперпозицией структур с сопряженными кратными связями С=С и С=0, что определяет свойства целевого соединения, поэтому такое значение мы не учитывали при оценке среднего значения ИУ, которое составляет 1135±4. Компонент с близким (1143 ед.инд.) значением ИУ был обнаружен в реакционной смеси. В целом, в ней идентифицированы все четыре возможных изомерных продукта конденсации ацетона и циклогексанона.

При конденсации ацетона в основной среде может образовываться значительное количество продуктов:

С6Н60

С6Н60

с12н10о

с6н6о

с18н14о +.

-н2о -н2о

Ниже приведены структуры основных идентифицированных продуктов конденсации ацетона.

а-изофорон

(2)-1 -(3,5,5-Триметил-циклогексен--3-илиден)-пропан-2-он

(£)-1 -(3,5,5-Триметил-циклогексен-3-илиден)-пропан-2-он

Р-изофорон

(2)-1-(3,5,5-Триметил-циклогексен--2-илиден)-пропан-2-он (VII)

(Я)-1-(3,5,5 -Триметил-циклогексен-2-илиден)-пропан-2-он

Сочетание анализа масс-спектров и методов оценки газохроматографических индексов удерживания позволяет устанавливать структуры компонентов смесей продуктов конденсации карбонильных соединений, содержащих стерео- и региоизомеры, даже тогда когда интерпретация только масс-спектральной информации не приводит к однозначным ответам. Для решения задачи необходимым условием является формирование гипотез о составе возможных продуктов реакций.

В разделе 3.4 рассмотрены дискуссионные аспекты возможностей применения модифицированной аддитивной схемы для предсказания индексов удерживания соединений, содержащих двойные связи С=С.

Показано, что разности ИУ цис- и транс-изомеров существенно меньше, чем стандартные отклонения их значений. Поэтому установление конфигурации двойных связей с использованием расчетных или справочных значений ИУ лишено смысла.

В разделе 3.5 рассмотрено применение линейного кодирования структур органических соединений для оценки корректности схем их «сборки» при оценке индексов удерживания.

Расширение числа примеров применения характеризуемого подхода с использованием безинкрементных аддитивных схем показывает, что однозначная «сборка» некоторых структур, например диастереомеров (в том числе компонентов смеси продуктов свободнорадикального хлорирования циклогексана), из более простых аналогов не всегда возможна. Максимальная точность оценок ИУ достигается только тогда, когда в молекулах предшественников представлены все особенности структуры целевых соединений, влияющие на их газохроматографические параметры удерживания. Для предотвращения возможных ошибок необходима некоторая минимальная формализация правил выбора структур предшественников и корректности операций с ними.

Один из способов решения такой задачи предполагает введение системы линейного кодирования ключевых фрагментов структуры, предназначенной для использования именно при получении оценок ИУ с применением безинкрементной аддитивной схемы. Основные структурные факторы, в наибольшей степени, влияющие на хроматографические ИУ органических соединений, представлены вместе с предлагаемыми для них кодами в таблице 5. Более полный вариант таблицы приведен в тексте диссертации. В таблице 6 приведен пример контроля корректности «сборки» молекулярной структуры для оценки ИУ (1-метил-1-хлорэтил)бензола с использованием линейного кодирования.

Таблица 5 - Некоторые особенности структуры молекул органических соединений,в наибольшей степени, влияющие на их газохроматографические параметры удерживания, и дескрипторы для их линейного кодирования_

Фрагмент структуры Симво л Примеры записи

Соединение Код

Алкильные фрагменты, пС Октилбензол РИ + 8С

содержащие п атомов Трибутиламин N + 3(4С)

углерода

Цикл, содержащий т атомов (ш) Бутилцикло- (6) + 4С

углерода гексан

Сопряжение фрагментов X и V Х.У Фенол РИ.ОН

I Две функциональных группы Х,¥(1) 1-Фенил-1,2- РЬ + 2С + Б-

(символы Х,У) в вицинальных этандиол ОНа,р-ОН(1) +

положениях [Н]

Цис-(транс-) заместители в цис-к цис-1,2- (5) + 2С.() +

циклах в положениях п и п+к Диметилцик- цис-1

лопентан

Таблица 6 - Примеры контроля корректности «сборки» структуры (1-метил-1-хлорэтил)бензола для оценки его ИУ с использованием линейного

кодирования_

_Схема «сборки»_Оценка ИУ, комментарии

,а (914±6) + (496±5) - (300) « (1110±8) (эксп. значение ИУ 1070±2) Не рекомендованный РЬ + ЗС + *а вариант «сборки»

+ ЗС + Б-С1 ЗС

= РЬ + ЗС + *а + 8-С1__

(914±6) + (526±5) - (366±6) »(1074+10) (эксп. значение ИУ 1070±2)

РЬ + ЗС + *а Рекомендованный вариант

+ 4С + * + 1-С1 «сборки»

4С + *

_= РЬ + ЗС + *а + МЛ_

Распространение предлагаемого подхода на иные классы соединений может привести к дополнительной детализации предлагаемых символов и уточнению их минимально необходимого перечня. Тем не менее, нельзя сомневаться в целесообразности такого кодирования для контроля правильности применения аддитивных схем при оценке ИУ и, следовательно,

для повышения надежности результатов хроматографической и хромато-спектральной идентификации органических соединений.

В заключительном разделе 3.6 рассмотрены критерии отбора справочной информации по индексам удерживания для расчетов с использованием модифицированной аддитивной схемы.

Если база данных содержит несколько значений ИУ одних и тех же соединений, то такую выборку необходимо подвергнуть статистической обработке с оценкой средних значений ИУ и их стандартных отклонений.

Если же в базе данных представлено единственное значение ИУ, его значение можно использовать только как ориентировочное.

Кроме того, при отборе справочных значений ИУ для расчетов по модифицированной аддитивной схеме следует учитывать следующие структурные особенности характеризуемых соединений:

1. Принцип структурной аналогии. Структуры, из которых составляется суперпозиция, должны содержать полный набор структурных особенностей целевой молекулы, влияющих на значения их ИУ;

2. Учет электронных факторов. Система сопряжения, содержащаяся в молекуле целевого соединения, должна присутствовать полностью в исходном соединении. Например, оценить ИУ иара-нитроанилина на основании такой схемы можно только с очень высокой погрешностью:

Ы02

ЫН2 N02

+ 6 ^

ын2

Также следует учитывать структурные факторы, приводящие к экранированию неподеленных электронных пар гетероатомов. В частности, «сборка» 2,6-ди-трет-бутилфенола из двух молекул орто-трет-бутилфенола не достаточно характеризует особенности экранирования в целевой молекуле и, следовательно, запрещена.

он он он он

и и О ХУ

3. Требование единственного варианта конечной структуры. Аддитивная схема «сборки» структуры целевого соединения должна приводить к единственному ответу.

4. Учет стерических факторов. В исходных соединениях должны быть учтены стерические напряжения, которые могут присутствовать в молекуле целевого соединения.

выводы

1. Сформулированы ограничения безинкрементных аддитивных схем оценки индексов удерживания. Для упрощения их выявления в конкретных случаях рекомендовано применение линейного кодирования структур молекул.

2. Принципиальным отличием используемого типа аддитивных схем является отсутствие предварительного расчета инкрементов различных структурных преобразований молекул. Оценки индексов удерживания получают по аналогии со способами гипотетической «сборки» структур целевых аналитов из структур их более простых аналогов.

3. На примерах хромато-масс-спектрометрической идентификации продуктов нескольких регионеселективных органических реакций, в том числе свободнорадикального хлорирования циклогексана и диалкиловых эфиров, конденсации карбонильных соединений, алкилирования фенола и алкиларенов алифатическими спиртами, показано, что наиболее эффективным способом установления их строения в отсутствие справочной информации является совместная интерпретация масс-спектров в сочетании с расчетом газохроматографических индексов удерживания с использованием аддитивных схем.

4. На примерах выбранных реакций продемонстрированы неизвестные ранее возможности идентификации региоизомеров (в том числе алкиларенов, алкилфенолов и непредельных карбонильных соединений) и, впервые, диастереомеров (изомерных продуктов свободнорадикального хлорирования различных субстратов), имеющих практически неразличимые масс-спектры ионизации электронами.

5. Отмечено, что предлагаемые подходы к совместной интерпретации результатов хромато-масс-спектрометрического анализа не требуют модификации аналитических процедур, но предполагают дополнительные арифметические операции со справочными значениями хроматографических индексов удерживания.

6. Разработаны подходы к созданию алгоритма совместного использования хроматографической и масс-спектрометрической информации при идентификации компонентов сложных смесей, который позволяет достигать высокого уровня детализации структур идентифицированных изомеров при отсутствии для них как справочных масс-спектров, так и индексов удерживания.

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Зенкевич И.Г. , Уколов Л.И. Кодирование особенностей структуры гомологических рядов для использования при аддитивной оценке индексов удерживания // Журнал структурной химии 2010. Т. 51. № 4. С. 681-691.

2. Уколов А.И., Зенкевич И.Г. Установление структуры изомерных алкиларенов с использованием аддитивных схем оценки

газохроматографических индексов удерживания // Вестник СПбГУ. 2011. Т. 1. Сер. 4. С. 83-94.

3. Зенкевич И.Г., Елисеенков А.В., Касаточкин КВ., Уколов А.И. Хроматомасс-спектрометрическая идентификация продуктов регионеселективных органических реакций. Хлорпроизводные диалкиловых эфиров // Масс-спектрометрия. 2011. Т. 8. №2. С. 119128.

4. Зенкевич И.Г., Уколов А.И. Особенности хромато-масс-спектрометрической идентификации продуктов конденсации карбонильных соединений //Журнал общей химии. 2011. Т. 81. №9. С. 1479-1489.

5. Зенкевич И.Г., Уколов А.И. Совместная интерпретация хроматографической и масс-спектрометрической информации при идентификации продуктов конденсации карбонильных соединений //Масс-спектрометрия. 2011. Т. 8. №4. С. 264-272.

6. «Контроль правильности оценки индексов удерживания при идентификации продуктов хлорирования циклогексана » Всероссийская конференция «Теория и практика хроматографии. Хроматография и нанотехнологии» Самара. 6-10 июля 2009 г.

7. «Identification of cyclohexane chlorination products in reaction mixtures using retention indices evaluated by method of structural assembly» Universities contribution in the organic chemistry progress, St.-Petersburg. Russia. 22-25 June 2009.

8. «Установление структуры изомерных алкиларенов с использованием методов аддитивной оценки газохроматографических индексов удерживания » «Хроматография - народному хозяйству» г. Дзержинск. 19-23 апреля 2010.

9. «Revealing the structures of isomeric alkyl arenes with using of additive methods of retention indices evaluation » "Chromatographic methods of investigation organic compounds" Katowice. Poland. 24-26 may 2010.

10. «Хроматомасс-спектрометрическая идентификации продуктов конденсации карбонильных соединений при отсутствии справочных данных» IV Всероссийская конференция «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы» Россия. Москва. 6-9 сентября 2011 г, С. 127 (ОС-23) с. 160.

11.«Хроматомасс-спектрометрический анализ нестабильных диазосоединений» Всероссийская конференция «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы» Россия. Москва. 6-9 сентября 2011 г, С. 128 (ОС-24) с. 160.

Подписано к печати 20.01.2012. Формат бумаги 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать ризографическая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 120 экз. Заказ 5348. Отпечатано в отделе оперативной полиграфии Химического факультета СПбГУ. 198504, Санкт-Петербург, Петродворец, Университетский пр. 26.

61 12-2/580

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ХИМИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ КАФЕДРА АНАЛИТИЧЕСКОЙ ХИМИИ

На правах рукописи

УКОЛОВ Антон Игоревич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ БЕЗИНКРЕМЕНТНОЙ АДДИТИВНОЙ СХЕМЫ ОЦЕНКИ ИНДЕКСОВ УДЕРЖИВАНИЯ ДЛЯ ХРОМАТО-МАСС-СПЕКТРОМЕТРИЧЕСКОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ ПРОДУКТОВ РЕГИОНЕСЕЛЕКТИВНЫХ ОРГАНИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Специальность 02.00.02 - аналитическая химия

Диссертация диссертации на соискание учёной степени кандидата химических наук

Научный руководитель д.х.н., профессор Зенкевич И.Г.

Санкт-Петербург 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................5

1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................8

1.1 ОГРАНИЧЕНИЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ ПРИ ИДЕНТИФИКАЦИИ АНАЛИТОВ....................................................................9

1.2 ИДЕНТИФИКАЦИЯ ВЕЩЕСТВ В ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ ..................................................................................................................................14

1.2.1 АБСОЛЮТНЫЕ ПАРАМЕТРЫ УДЕРЖИВАНИЯ...............................14

1.2.2 ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ ПАРАМЕТРЫ УДЕРЖИВАНИЯ........................16

1.3 МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ИНДЕКСОВ УДЕРЖИВАНИЯ...........................18

1.3.1 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДЛЯ ОЦЕНКИ ИНДЕКСОВ УДЕРЖИВАНИЯ..............................................18

1.3.2 ПРИМЕНЕНИЕ ЛИНЕЙНО-ЛОГАРИФМИЧЕСКИХ СООТНОШЕНИЙ ДЛЯ ВЗАИМНОГО ПЕРЕСЧЕТА ИНДЕКСОВ УДЕРЖИВАНИЯ РАЗНЫХ РЯДОВ................................................................21

1.3.3 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОЛЕКУЛ ДЛЯ ОЦЕНКИ ИНДЕКСОВ УДЕРЖИВАНИЯ...............................................................................................22

1.3.4 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КОРРЕЛЯЦИОННЫХ СООТНОШЕНИЙ ИНДЕКСОВ УДЕРЖИВАНИЯ И ТОПОЛОГИЧЕСКИХ ИНДЕКСОВ.......26

1.3.5 ОЦЕНКА ИНДЕКСОВ УДЕРЖИВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АДДИТИВНЫХ МЕТОДОВ.............................................................................29

«ИНКРЕМЕНТНАЯ» СХЕМА........................................................................29

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОБРАЩЕННЫХ АДДИТИВНЫХ СХЕМ..................32

СИСТЕМА ГРУППОВЫХ ИНКРЕМЕНТОВ................................................35

«БЕЗИНКРЕМЕНТНАЯ» СХЕМА.................................................................37

1.4 СОВМЕСТНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ И МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА..................................................................................41

1.4.1 Автоматизированные системы интерпретации результатов

хромато-масс-спектрометрических экспериментов................................41

1.4.2 КОНЦЕПЦИЯ ФИКСАЦИИ ВРЕМЕН УДЕРЖИВАНИЯ (RETENTION TIME LOCKING SYSTEMS, AGILENT TECHNOLOGIES).44

1.4.3 ОТНОСИТЕЛЬНЫЕ ВРЕМЕНА УДЕРЖИВАНИЯ (RRT)..................45

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ..............................................................47

2.1 ПОЛУЧЕНИЕ И АНАЛИЗ ПРОДУКТОВ КОНДЕНСАЦИИ КАРБОНИЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ В ОСНОВНОЙ СРЕДЕ.......................47

2.2 Алкилирование фенола алифатическими спиртами в присутствии хлорида алюминия...........................................................................................48

2.3 Алкилирование бензола и алкиларенов и анализ продуктов............50

2.3.1. Алкилирование алкиларенов алифатическими спиртами в

присутствии хлорида алюминия...................................................................50

2.3.2 Алкилирование бензола 2-октанолом и 3-метилбутанолом в присутствии серной кислоты.......................................................................52

2.4 свободнорадикальное хлорирование циклогексана и последующая идентификация компонентов реакционной смеси...................................54

2.5 Приготовление и анализ реакционных смесей продуктов радикального хлорирования простых эфиров............................................55

2.6 Измерение и расчет хроматографических индексов удерживания. Обработка справочных данных.....................................................................57

3 РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ........................................................58

3.1. Идентификация компонентов смесей структурных изомеров.........58

3.1.1. Оценка индексов удерживания при установлении структуры алкилбензолов..................................................................................................60

3.1.2. Установление структуры продуктов алкипирования бензола и

алкшаренов спиртами в присутствии хлорида алюминия........................70

3.1.2. Установление структуры продуктов алкилирования фенола

спиртами в присутствии хлорида алюминия..............................................78

3.2 Идентификация компонентов смесей диастереомеров.....................95

3.2.1. Установление структуры продуктов хлорирования циклогексана 95

3.2.2. Установление структуры метилциклогексанов.............................100

3.2.3. Установление структуры продуктов хлорирования диалкиловых эфиров............................................................................................................101

3.3. Идентификация регио- и стерео-изомеров. Установление структуры

продуктов конденсации карбонильных соединений..............................119

3.4. Оценка возможностей применения модифицированной аддитивной схемы для предсказания индексов удерживания соединений,

СОДЕРЖАЩИХ ДВОЙНЫЕ СВЯЗИ. ДИСКУССИОННЫЕ АСПЕКТЫ РАССМАТРИВАЕМОГО ПОДХОДА.........................................................................145

3.5 КОДИРОВАНИЕ ОСОБЕННОСТЕЙ СТРУКТУРЫ ОРГАНИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ДЛЯ ОЦЕНКИ ХРОМАТОГРАФИЧЕСКИХ ИНДЕКСОВ УДЕРЖИВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АДДИТИВНЫХ СХЕМ.....150

3.6 Критерии отбора справочной информации по индексам

удерживания....................................................................................................165

4 ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................169

5 ВЫВОДЫ.........................................................................................................170

6 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................172

ВВЕДЕНИЕ

Газовая хромато-масс-спектрометрия (ГХ-МС) сочетает возможности анализа веществ в составе сложных смесей с возможностями их идентификации с использованием спектральной информации. Современные капиллярные газохроматографические колонки обеспечивают эффективное разделение веществ с близкими физико-химическими свойствами. Высокий уровень компьютеризации процесса анализа обеспечивает необходимую точность и воспроизводимость результатов. Стоит отметить, что масс-спектрометрия была исторически первым приборным аналитическим методом, в котором для обработки данных стали применять компьютеры. Высокая воспроизводимость масс-спектров электронного удара предопределила возможность создания соответствующих баз данных (например NIST/EPA/NIH, USA), что позволило проводить интерпретацию масс-спектров в автоматическом режиме.

Кроме того, метод ГХ-МС допускает возможность дополнения масс-спектральной информации хроматографическими параметрами удерживания, наиболее воспроизводимой формой, которых являются индексы удерживания (ИУ, RI).

Пожалуй, главной из объективных предпосылок необходимости дополнения масс-спектров значениями ИУ является возможность наличия в анализируемых образцах многочисленных изомерных соединений, масс-спектры которых могут быть близки между собой. Современные масс-спектрометрические методы зачастую не позволяют различать изомеры без привлечения труднодоступных образцов сравнения, поиск которых по временным затратам может многократно превосходить сам анализ. Использование современных методов тандемной масс-спектрометрии также не всегда позволяет решить задачу идентификации изомеров. Особенности индивидуальной фрагментации можно выявить при интерпретации спектров ионов-продуктов в МС-МС, но сопоставить конкретный компонент образца с

конкретным изомером можно только при использовании образцов сравнения. Следовательно, непосредственное сравнение масс-спектров изомеров позволяет различить, но не установить структуры соединений. Привлечение же ИУ при идентификации позволяет уточнять структуры изомеров даже при использовании только хроматомасс-спектрометров низкого разрешения.

Одним из способов одновременного использования масс-спектров и индексов удерживания является прямое сравнение масс-спектров и ИУ со справочными значениями, которое при необходимости можно охарактеризовать количественно. Такой алгоритм, соответствующий термину «идентификация», требует создания обширных баз масс-спектров и ИУ (примером является база №8Т/ЕРА/МН, разрабатываемая в Национальном институте стандартов и технологии, США). Однако, несмотря на то, что последняя версия базы данных (БД) №8Т 2011 содержит 293247 масс-спектров и 346757 значений ИУ для 70835 соединений, ситуация, когда для анализируемых веществ отсутствуют справочные масс-спектры и ИУ, достаточно типична. Таким образом, задачи идентификации соединений, не охарактеризованных ни масс-спектрами, ни индексами удерживания, в аналитической практике встречаются довольно часто. Особенно это относится к такому важному классу объектов, как сложные смеси продуктов регионеселективных органических реакций.

При отсутствии справочной информации непосредственное испльзование как масс-спектров, так и ИУ приводит либо к неопределенным, либо к ошибочным ответам. В подобных случаях необходимо отказаться от «традиционных» способов хромато-масс-спектрометрической

идентификации; в первую очередь это касается индексов удерживания.

Наличие достаточно представительных баз индексов удерживания позволяет использовать их для расчета ИУ не известных, или еще не охарактеризованных структур. Так, принципиально иным алгоритмом

совместного использования масс-спектров и ИУ, является способ,

б

основанный на предварительной оценке индексов удерживания для предполагаемых структур анализируемых соединений. Этот вариант интерпретации данных более соответствует термину «установление структуры».

Настоящая работа посвящена обсуждению возможностей новых подходов к совместной интерпретации масс-спектрометрической и хроматографической информации, предполагающих предварительную оценку газохроматографических индексов удерживания для возможных структур анализируемых соединений.

Для разработки таких подходов специально выбраны несколько примеров различных регионеселективных реакций, общей особенностью которых является то, что они приводят к образованию сложных смесей ранее не охарактеризованных продуктов. К таким реакциям относятся: алкилирование алкиларенов фенола алифатическими спиртами в условиях реакции Фриделя-Крафтса, конденсация циклических и алифатических карбонильных соединений, свободнорадикальное хлорирование циклогексана и простых эфиров. В работе сформулированы основные рекомендации по использованию справочной информации по индексам удерживания при вычислении ИУ с использованием аддитивных схем. Стоит отметить, что в ряде случаев при идентификации органических соединений впервые достигнут уровень детализации приближающийся к возможностям установления структуры индивидуальных химических веществ на основе спектральной информации.

Часть из перечисленных задач была решена в соответствии с темой гранта РФФИ Работа выполнена частично в рамках гранта РФФИ 11-0300155, что иллюстрирует актуальность рассматриваемой проблемы.

1. Обзор литературы

В настоящее время можно считать общепризнанным, что хромато-масс-спектрометрия является одним из самых информативных аналитических методов для идентификации следовых количеств органических соединений в сложных смесях [1-4]. Он подразумевает возможность использования как масс-спектрометрической, так и хроматографической информации. Однако современная практика хромато-масс-спектрометрии в значительной степени ориентирована на ее масс-спектрометрическую составляющую. Основными причинами этого является доступность баз масс-спектров (Wiley, NIST, Pfleger-Maurer-Weber), объективно большая информативность многомерных спектральных данных по сравнению с одномерными аналитическими параметрами, к которым относятся хроматографические индексы удерживания (ИУ), и, конечно же, некоторые сложившиеся стереотипы интерпретации результатов хромато-масс-спектрометрического анализа.

Между тем, структурные факторы, которые определяют значительное сходство масс-спектров различных соединений и, следовательно, делают их непригодными для идентификации, хорошо известны [5] и рассмотрены в п. 1.1. настоящего обзора. В первую очередь это относится ко многим изомерам разных типов, хромато-спектральная идентификация которых без привлечения хроматографических параметров невозможна. Во всех гомологических рядах число изомеров быстро возрастает по мере увеличения числа атомов углерода в молекуле (п), что, естественно, проявляется в ограничениях масс-спектрометрии при установлении структур высших гомологов. Например, в ряду алканов число изомеров N (п) (без учета диастереомеров) составляет: 18 (8), 35 (9), 75 (10), 159 (11), 355 (12), ...; в ряду хлорциклогексанов (с учетом диастереомеров) оно равно: 1 (С6НПС1), 7 (С6Н10С12), 12 (С6Н9С13), 33 (С6Н8С14), и т.д. Общее число конгенеров в группе полихлорированных бифенилов составляет 209,

дибензо-п-диоксинов - 135, а полихлорпроизводных гидроксибифенилов -839. Любые попытки идентификации индивидуальных изомеров при столь большом их числе на основании только масс-спектров неизбежно приводят либо к неопределенным, либо к ошибочным ответам.

Представители многих аналитически важных групп органических соединений в дополнение к масс-спектрам охарактеризованы их газохроматографическими ИУ. Это, например, компоненты эфирных масел растений [6], лекарственные препараты и их метаболиты [7] и др. В 2005 г. база масс-спектров Ы18Т была впервые дополнена информацией по индексам удерживания [8]. Однако, в целом, число доступных справочных значений ИУ остается значительно меньшим, чем масс-спектров. Эта особенность современного информационного обеспечения в хромато-масс-спектрометрии объясняет актуальность разработки подходов к интерпретации результатов в отсутствие справочных данных. В связи с этим в настоящем обзоре рассмотрены основные аспекты идентификации веществ в газовой хроматографии, включая методы оценки газохроматографических индексов удерживания, а также методы совместной интерпретации хроматографической и масс-спектрометрической информации.

1.1 ОГРАНИЧЕНИЯ МАСС-СПЕКТРОМЕТРИИ ПРИ ИДЕНТИФИКАЦИИ АНАЛИТОВ

Среди многих физических методов исследования органических соединений, широко применяемых в настоящее время, масс-спектрометрия занимает особое положение. Только этот метод дает возможность точного измерения молекулярной массы и некоторых других характеристик (например, элементного и изотопного состава) при наличии ничтожных количеств вещества, в том числе в сложных многокомпонентных смесях (до

о 1 -л

10" - 10" при хромато-масс-спектрометрическом анализе с ионизациеи

электронным ударом и до 10"18 при химической ионизации с

детектированием отрицательных ионов). Такая чувствительность и высокое

9

быстродействие позволяет совмещать масс-спектрометрию с наиболее эффективными способами разделения сложных смесей органических соединений - газовой и жидкостной хроматографией.

Помимо информации о молекулярной массе и изотопном составе молекулы, масс-спектрометрия дает важную качественную информацию о структуре молекулы при использовании эмпирических алгоритмов фрагментации молекулы при ионизации. Особенности фрагментации молекул при ионизации электронным ударом наиболее подробно описаны в различных руководствах (см. например [9,10]).

Как было уже отмечено, авторы большинства оригинальных работ пренебрегают хроматографической составляющей хромато-масс-спектрометрического эксперимента, и часто приводят только абсолютные параметры удерживания. Чтобы выделить случаи, когда использование хроматографической информации значительно повышает достоверность ответов, ниже рассмотрены примеры, когда использование только масс-спектрометрической информации не обеспечивает однозначности при идентификации аналитов:

Пример 1. Соединения с двойными связями С=С (Е/^-изомеры алкенов и соединений других рядов).

Простейший пример из ряда алкенов - 2-бутен существует в виде двух изомеров, различия в масс-спектрах которых столь незначительны, что не позволяют их различить. Тем не менее, простейшее сравнение с общедоступной базой данных №8Т позволяет однозначно идентифицировать каждый изомер.

ИУ 407±1 [11] ИУ 418±2 [12]

и

. 111 т I

ни««»

13 20

.уУТ. I

«о в »

Рисунок 1.1- Масс-спектры ИЭ Е- и Z-бyтeнa-2

Пример 2. Соединения, отличающиеся положением функциональных групп или алкильных заместителей.

К таким соединениям могут относиться рассмотренные выше алкены (например, 2-метил-2-пентен и 4-метил-2-пентен): ИУ 607 ± 3 [13] ИУ 575 ± 2 [14] (Е),

ИУ 562 ±2 [12] (Т)

■?■ Ык ,*,м.1ТН?.....'.'.?,У,?.Т

Рисунок 1.2 - Масс-спектры ИЭ 2-метил-2-пентена и 4-метил-2-пентена

В качестве другого примера групп изомеров которые невозможно различить на основании анализа масс-спектров можно привести компоненты смесей углеводородов нефти, например триметилбензолы: ИУ 1005 [15] ИУ 978 [15]

ИУ 956 [15]

и

о

Рисунок 1.3 - Масс-спектры ИЭ 1,2,3-, 1,2,5-и 1,3,5-триметилбензолов

Пример 3. Ряд соединений относящихся к разным гомологическим рядам (но являющихся изомерами), которые, по-видимому, подвергаются перегруппировкам при ионизации электронами, что в результате приводит к сходству их масс-спектров. ИУ 792 ИУ 939

.ПИТ

Рису