задать вопрос специалисту
|
Масс-спектрометрия в органической химии
Выдержка из книги А. В. Лебедева
К концу XX века инструментальные физико-химические методы анализа стали неотъемлемой частью экспериментальной работы исследователя, работающего в области естественных наук. Наиболее мощными и многоцелевыми среди них, безусловно, являются спектроскопия ядерного магнитного резонанса и масс-спектрометрия. Оба метода активно используются в химии, биологии, медицине, экологии, контроле технологических процессов, криминалистике и т. д. Характеризуя вновь синтезированное вещество, исследователь обязан получить и описать его ЯМР и масс-спектры.
Говоря о достоинствах масс-спектрометрии, следует прежде всего отметить чувствительность, экспрессность, информативность и надежность метода. Для получения достоверного масс-спектра индивидуального соединения даже на рутинном масс-спектрометре достаточно 10_9-10~10 г вещества. При необходимости простого детектирования конкретного соединения в смеси порог обнаружения может быть легко снижен до Ю-12—Ю-14 г. Использование современного оборудования и современных методов ионизации позволяет в некоторых случаях увеличить чувствительность метода еще на несколько порядков. Таким образом, не разрешимая без волшебства традиционная русская задача о «поиске иголки в стоге сена» может быть легко решена масс-спектрометрически, причем масс-спектрометрический эксперимент сравним с поиском иголки в нескольких миллионах стогах сена.
Для получения обычного спектра электронного удара индивидуального соединения необходимо затратить всего 1-2 мин, а время анализа сложной смеси органических соединений в режиме хроматомасс-спектрометрии определяется исключительно хроматографическим временем удерживания компонентов. При этом следует учесть, что в памяти компьютера, являющегося неотъемлемой частью современного масс-спектрометра, остаются информация о временах удерживания, площадях пиков, а также масс-спектры всех компонентов смеси, т. е., вводя в прибор 1 мкл сложнейшей смеси органических соединений, на «выходе» можно получить информацию о ее качественном и количественном составе. Ни один другой метод не сочетает в себе такой экспрессности и информативности. Надежность масс-спектрометрического анализа также очень высока, поскольку масс-спектр является реальной характеристикой конкретного вещества, отражающей его структурные особенности.
История масс-спектрометрии насчитывает около 100 лет. Годом рождения масс-спектрометрии можно считать 1901 г., когда немецкий физик В. Кауф¬ман создал первый прототип параболического масс-спектрографа для изучения «катодных лучей», или 1913 г., когда сэр Дж. Томсон впервые спектрально «увидел» изотопы неона, или 1918 г., когда А. Демпстер сконструировал первый магнитный масс-спектрометр с источником для электронной и термической ионизации. На протяжении следующих 50 лет «масс-спектральная наука» оставалась прерогативой исключительно физиков и физикохимиков. Используя простейшие соединения, масс-спектрометристы того времени успешно измеряли характеристики элементов, атомов, молекул (энергии ионизации, прочности связей, точные массы элементов и природную распространенность их изотопов).
Органическая масс-спектрометрия характеризуется полувековой историей. Это очень небольшой период времени, поэтому сейчас, в начале XXI века, можно лично поговорить практически со всеми классиками, стоявшими у истоков создания этой науки. После второй мировой войны возникло понимание, что метод можно использовать не только в качестве прецезионного физико-математического инструмента, но и в качестве удобного способа идентификации достаточно сложных соединений по набору характеристических фрагментных ионов. Знание классических химических реакций органических соединений и привлечение теорий устойчивости органических ионов позволили приписать фрагментам конкретные структуры, сделать обобщения по аналогиям фрагментации внутри классов органических соединений. Переход на такой уровень использования масс-спектрометрии резко увеличил число пользователей метода и привел к взрывному развитию приборного парка.
Особенно важную роль сыграло то, что метод оказался применимым при решении нефтехимических проблем. Финансовые вложения нефтяных компаний в значительной степени способствовали быстрому инструментальному и теоретическому становлению нового научного направления. Огромный фактический материал по истории масс-спектрометрии содержит богато иллюстрированная фотографиями и рисунками отличная книга под редакцией М. Грейсона, изданная в 2002 г. к 50-летию Масс-спектрометрического общества США.
Традиционно органическая масс-спектрометрия используется для решения двух основных проблем: идентификация веществ и изучение фрагментации ионизированных молекул органических соединений в газовой фазе в ионном источнике. С появлением хроматомасс-спектрометрии, ионно-циклотронного резонанса , систем протока после разряда возможности классического метода значительно увеличились. Соединение масс-спектрометра с жидкостным хроматографом еще более расширило круг изучаемых объектов. Новые методы ионизации, в частности «электроспрей» и МЛДИ, появившиеся к концу XX века, позволили успешно работать со сложнейшими биоорганическими молекулами, такими как полипептиды, белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, молекулярные массы которых составляют миллионы дальтон. Сегодня можно проанализировать соединение практически любой сложности.
В последние годы широко ведутся исследования по анализу микроорганизмов, по моделированию в газовой фазе химических реакций термолиза, фотолиза, превращений катализируемых кислотами и основаниями, по изучению каталитических процессов. В этой связи уместно привести шутливое выражение одного из «отцов» органической масс-спектрометрии Фреда Мак-Лафферти: «Если химическую задачу нельзя решить с помощью масс-спектрометрии, ее вообще нельзя решить». Признанием важности масс-спектрометрии для развития современной науки стало присуждение в 2002 г. Нобелевской премии создателям методов электроспрея и МЛДИ Джону Фенну и Кончи Танаке.
Наряду с очевидным использованием масс-спектрометрии в органической и биоорганической химии для установления структур соединений хроматомасс-спектрометрия стала сегодня основным методом качественного и количественного определения органических загрязнений в объектах окружающей среды. Современная химическая экология немыслима без этого метода. Изучение метаболизма лекарственных средств и пестицидов в окружающей среде и живых организмах также ведется с активным использованием масс-спектрометрии. Метод незаменим в криминалистических исследованиях и при проведении допинг-контроля на спортивных соревнованиях.
Масс-спектрометрия применяется для решения геохимических и космохи-мических проблем, задач комбинаторной химии, иммунологии и медицины, при идентификации микроорганизмов и т. д. Масс-спектрометрия имеет явное преимущество перед другими физико-химическими методами, поскольку опе¬рирует с простейшими характеристиками вещества: массой молекулы и ее основных фрагментов, а также с отношением количеств этих фрагментов. Это позволяет достаточно легко усвоить основы метода и научиться работать с масс-спектрами не только подготовленным студентам, но и школьникам старших классов, изучающим органическую химию. Учитывая, что расшифровка масс-спектра может быть сродни решению головоломки типа «puzzle», овладение этим методом принеся несомненную пользу, как увеличение «багажа» знаний, увлекательно своей простотой.
Тем не менее занимаясь масс-спектрометрией органических соединений уже более 20 лет, я постоянно сталкиваюсь с ситуацией, когда даже опытные химики-органики пасуют перед масс-спектром, предпочитая извлечь необходи¬мую информацию о структуре с помощью других, более знакомых им методов. Объяснение этому я нахожу в отсутствии учебной литературы по интерпретации масс-спектров и в отсутствии спецкурсов по этой дисциплине в вузах России.
Книги по масс-спектрометрии советских авторов, изданные в 70-80 годах прошлого века, затрагивали отдельные аспекты органической масс-спектрометрии; среди них в качестве учебной литературы можно было бы выделить лишь два пособия. Русскоязычный читатель не был знаком и с большинством иностранных изданий; на русский язык были переведены лишь фундаментальная пионерская монография Джона Бейнона и еще три книги, причем две из них достаточно давно. Следует лишь сожалеть, что замечательный учебник Мак-Лафферти, претерпевший уже четыре издания, так и не переведен на русский язык. Уже во время работы над этим пособием вышла в свет книга группы авторов «Основы масс-спектрометрии органических соединений». В ней хорошо изложены классические аспекты органической масс-спектрометрии, подкрепленные представительным набором задач.
Данное пособие направлено на решение двух основных задач: учебной и познавательной. С материалом можно знакомиться последовательно или выборочно по конкретным главам или разделам. Учебную функцию несут прежде всего гл. 2-4, 8-10, в которых рассмотрены основные теории и законы фрагментации органических соединений. Большое внимание уделено именно работе с масс-спектром, подходам к его расшифровке с извлечением максимальной структурной информации. Описание основных направлений фрагментации различных классов органических соединений (от алканов до белков и нуклеиновых кислот) сопровождается реальными масс-спектрометрическими задачами. Решая эти задачи, читатель сможет закрепить теоретический материал и затем успешно справляться с подобными проблемами в своей последующей научной работе. Большое число вариантов типовых задач позволяет использовать книгу не только для индивидуальной работы, но и для семинаров в студенческих группах. Глава 9 посвящена вопросам количественного масс-спектрометрического анализа.
Последнее десятилетие XX века ознаменовалось революционными новациями в органической масс-спектрометрии. В русскоязычной литературе пока отсутствуют описания современных методов ионизации, анализа и расшифровки спектров сложных биологических соединений. В данной работе наряду с описанием классических методов ввода и ионизации образца, а также разделения и детектирования ионов значительное место уделено теоретическим и практическим аспектам современной масс-спектрометрии: электрораспыление и другие методы стыковки жидкостного хроматографа с масс-спектрометром, матричная лазерная десорбционная ионизация (гл. 5), масс-спектрометрия с преобразованиями Фурье, варианты времяпролетной масс-спектрометрии и т. д. (гл. 6), а также тандемная масс-спектрометрия, спектры с переменой заряда, нейтрализация—реионизация, спектрометрия ионной подвижности (гл. 7).
Очень важно, чтобы масс-спектрометрией как методом исследования владели и его применяли в работе непосредственно химики, биологи, экологи, а не узкий круг профессиональных масс-спектрометристов. Никто столь досконально не знает своей задачи, как сам исследователь, работающий с веществом. Если он сможет правильно поставить масс-спектрометрическую задачу и при этом владеет техникой интерпретации масс-спектров, эффективность работы со спектрами будет существенно выше, чем у профессионального масс-спектрометриста, далекого от конкретной исследовательской проблемы. Для правильной расшифровки масс-спектра может оказаться необходимой информация о производителе исходного реактива, о побочных процессах изучаемой реакции, о примесях к реагентам или даже о реакции, которая ставилась в этой посуде за неделю до данного эксперимента.
Полный вариант книги Масс-спектометрия в органической химии А. Т Лебедев
|