A – (MMA)n – B(Na)+
где А и В – концевые группы, n-степень полимеризации.
Отраженные в формуле катионы натрия присоединяются к макромолекулами при ионизации. Их источником является специально вводимый при пробоподготовке трифтороацетат натрия. С учетом значения молекулярной массы ММА, равной 100,1 Да можно записать следующее уравнение:
m(A)+100.1*n+m(B)+23=6385 (7)
откуда
m(A) +m(B)=6362-100.1*n (8)
Очевидно, что n не может быть больше, чем 63. В целом для суммы масс концевых групп будет справедлива формула:
m(A) + m(B) = 55.7+100.1k (9)
где k-целое неотрицательное число.
Дальнейший анализ осуществляется методом подбора. На основании информации о природе системы, использованной для получения полимера, можно сделать предположение о вероятной природе концевых групп. Исследуемый полимер был получен методом контролируемой радикальной полимеризации с использованием четыреххлористого углерода в качестве инициатора и комплекса рутения как катализатора процесса. В соответствии с предполагаемым механизмом в голове цепи должна находиться трихлорметильная группа, а на хвосте – атом хлора. Учитывая это:
m(CCl3) + m(Cl) = 35.5*3+12+35.5=154
Данная величина хорошо совпадает с полученным в соответствии с уравнением (9) значением 155,8 при k=1.
Следуя приведенному алгоритму, можно сделать вывод о том, что второй серии пиков, приведенных на рисунке 10, соответствуют макромокатионы состава
CCl3- (MMA)n+
Данные макрокатионы отличаются от первой группы на значение 58Да, что соответствует хлориду натрия. По-видимому, под действием лазерного облучения происходит не только десорбция катионов, но и их частичная фрагментация, сопровождаемая потерей хлорида натрия.
Третья серия линий соответствует молекулярным катионам, имеющим формулу
CCl3-(MMA)n-MMAHNa+
Эти макромолекулы содержат на конце атом водорода или двойную связь и образовались в результате обрыва цепи при диспропорцонировании, что характерно для полимеризации метилметакрилата.
Анализируя масс-спектр полиММА, полученного в результате полимеризации, инициированной классическим радикальным инициатором – динитрилом азоизомасляной кислоты (ДАК), можно сделать вывод о механизме обрыва полимеризации. На рисунке 11 приведен фрагмент масс-спектра полиметилметакрилата, синтезированного с применением указанного радикального инициатора. В спектре видны 2 серии пиков, отстоящих друг от друга на 100 Да. Первая соответствует макрокатионам, содержащим в своем составе два остатка макроиницатора:
(CH3)2C(CN)(MMA)n(CN)C(CH3)2 Na+
Данные цепи образовались при бимолекулярном обрыве за счет рекомбинации или при реакции растущего макрорадикала с инициирующим радикалом. Вторая серия отвечает смеси продуктов, полученных за счет обрыва полимеризации методом диспропорционирования, и отвечает макрокатионам состава:
(CH3)2C(CN)(MMA)mCH2=C(CH3)COOCH3 Na+
(CH3)2C(CN)(MMA)mCH2CH(CH3)COOCH3 Na+
Отображенные на рисунке 11 сигналы соответствуют макрокатионам с m=15 и n=16, соответственно.
Для анализа концевых групп макромолекул иногда удобно пользоваться специальными программами, которые поставляются в комплекте с оборудованием или могут быть написаны с учетом описанного выше алгоритма. Следует отметить, что задача идентификации концевых групп не является тривиальной, а требует знания условий получения полимеров и химии в целом. Концевые группы могут претерпевать превращения при выделении и очистке полимера, а также реагировать с матрицей или растворителем при подготовке пробы для МАЛДИ анализа. Эти процессы нужно всегда учитывать при анализе результатов экспериментов.
Таким образом, метод времяпролетной масс-спектрометрии с источником МАЛДИ позволяет решать вряд важных аналитических задач химии высокомолекулярных соединений. С его помощью можно определять тип полимера и концевые группы, судить о механизме протекания процесса. Результаты, полученные с его помощью, дают ценную информацию о молекулярно-массовом распределении образцов и позволяют проводить калибровку систем для анализа образцов методом ГПХ.
|
Рис. 11. Фрагмент масс-спектра полиММА, синтезированного в присутствии ДАК как инициатора. Сигнал при 1660 Да соответствует цепям, образовавшихся при рекомбинации радикалов, а при 1693 – за счет их диспропорционирования
|
Определение состава и идентификация металлоорганических соединений
МАЛДИ позиционируется как метод мягкой ионизации. В процессе ионизации лазерное излучение поглощается матрицей, находящейся в избытке относительно анализируемого вещества. Это позволяет снизить фрагментацию анализируемого вещества и наблюдать нефрагментированные молекулярные ионы в масс-спектре.
Мягкая ионизация позволяет успешно применять МАЛДИ МС для анализа металлоорганических и координационных соединений. Известно, что многие металлорганические соединения обладают низкой летучестью, невысокой стабильностью и разлагаются при нагревании. Переведение их в газовую фазу термическим способом приводит к фрагментации, что делает невозможным регистрацию молекулярного иона. Применение МАЛДИ позволяет перевести металлорганические соединения в газовую фазу без разрушения и точно определить значения молекулярной массы впервые полученных соединений.
Результаты исследований различных типов металлоорганических соединений, проведенных в Нижегородском государственном университете им.И.Лобачевского с использованием прибора Bruker Microflex LT, позволили выявить ряд важных закономерностей анализа металлорганических соединений методом МАЛДИ МС. В частности, намибыли разработаны методики для эффективного анализа металлокомплексов железа, кобальта, рутения, меди, хрома и ряда редкоземельных элементов методом МАЛДИ.
Интересным примером применения масс-спектрометрии МАЛДИ является исследование карборановых комплексов рутения. Металлкарбораны являют собой интересный пример соединений, которые с одной стороны можно рассматривать как полусэндвичевые координационные производные, а с другой – как сложные кластерные молекулы, содержащие различные типы атомов. Синтез и изучение свойств таких соединений представляет собой важную и интересную задачу как с фундаментальной точки зрения, так и в плане их практического применения.
Соединения 1-4, структуры которых представлены на рисунке 10, очень близки по строению и свойствам. Они имеют парамагнитную природу, что не позволяет охарактеризовать их методом ЯМР-спектроскопии. ИК- и УФ-спектры близких по составу и строению производных рассматриваемого типа мало отличаются друг от друга и дают весьма посредственную информацию о структуре соединения. Применение метода МАЛДИ МС позволило провести их идентификацию и получить ценную информацию о строении.
|
|
|
|
C30H37B9ClP2Ru
1
|
C30H35B9ClP2Ru
2
|
C32H41B9ClP2Ru
3
|
C30H36B9Cl2P2Ru
4
|
Рис. 12. Структуры и брутто-формулы комплексов рутения 1-4
|
Анализ соединений 1-4 был проведен как в режиме положительных, так и отрицательных ионов [6]. Проведенные исследования показали, что наиболее эффективным для идентификации исследуемых соединений является проведения анализа в режиме отрицательных ионов. Зарегистрированные спектры содержат меньшее число линий от продуктов фрагментации и потому являются более простыми в интерпретации. Зарегистрированные масс-спектры приведены на рисунке 13.
Интересной особенностью масс-спектров металлоорганических соединений тяжелых металлов, имеющих несколько натуральных изотопов, является расщепление спектра на несколько линий. Приведенные на рисунке 13 масс-спектры индивидуальных соединений 1-4 представляют собой сигнал из десятка линий с определенной интенсивностью. В англоязычной литературе такие сигналы за их характерную форму иногда называют «конвертом» (envelope). Такая интересная форма сигналов обусловлена наличием природных изотопов у атомов, входящих в состав анализируемых молекул. Изотопное распределение характерно для соединения и является его «отпечатками пальцев». Оно позволяет надежно отделить сигналы от молекулярных ионов и продуктов их фрагментации от сигналов, соответствующих матрице и примесям. Как уже неоднократно отмечалось, МАЛДИ является мягким методом ионизации. Однако, несмотря на это переход лабильных молекул металлоорганических соединений в газовую фазу часто сопровождается протеканием фрагментации или взаимодействием с матрицей. Характерное изотопное распределение позволяет сделать вывод о строении частиц, образовавшихся в результате этих процессов.
Рис 13. Зарегистрированные в режиме фиксации анионов масс-спектры соединений 1-4. Матрица –DCTB.
На практике для идентификации молекулярных ионов, образовавшихся в процессе анализа, проводится сравнение зарегистрированных сигналов с теоретически рассчитанными изотопными распределениями. Алгоритм теоретического расчета изотопного распределения основан на информации о наличии изотопов у конкретного элемента. Как правило, программы для расчета входят в программный пакет, поставляемый вместе с приборами. Ряд простых утилит можно найти в свободном доступе в сети Интернет.
Метод масс-спектрометрии МАЛДИ был использован при анализе ферроцена и его производных. На рисунке 14 приведены масс-спектры 1,1’-дибромферроцена и 1-бром-1’-дифенилфосфиноферроцена, зарегистрированные в режиме фиксации положительных ионов. Представленные спектры также имеют характерное изотопное распределение, обусловленное наличием естественных изотопов у атома брома и углерода.
|
|
Рис.14. Масс-спектры 1,1’-дибромферроцена и 1-бром-1’-дифенилфосфиноферроцена, зарегистрированные в режиме фиксации положительных ионов. Матрица – DCTB.
|
При анализе спектров металлоорганических молекул следует обратить внимание на следующую особенность. Углерод имеет два стабильных изотопа с массовыми числами 12 и 13. При этом доля второго составляет около 1%. Если в молекуле анализируемого вещества присутствует небольшое количество атомов углерода, то сигнал от 13С практически не проявляется. Если число атомов углерода превышает 20 единиц, то сигнал от 13С вносит ощутимый вклад в наблюдаемое распределение. Это наглядно видно на рис.2.б. Два интенсивных сигнала соответствуют молекулами, содержащими 12С, но разные изотопы атома брома. Две менее интенсивные линии отвечают молекулам, содержащим в структуре по одному атому 13С.
Анализ полимеров и биомакромолекул в 90% случаев проводится в режиме фиксации положительных ионов. В то же время приведенные на рисунке 13 и 14 данные свидетельствуют о том, что для металлокомплексов масс-спектры высокого разрешения могут быть зарегистрированы как в режиме фиксации анионов, так и в режиме фиксации положительных ионов. При этом для всестороннего анализа соединения и получения наибольшего количества ценной информации необходимо провести его анализ в обоих режимах.
Предпочтительное образование ионов того или другого знака определяется строением металлоорганического соединения и, как ни странно, его окислительно-восстановительным потенциалом. Было установлено, что способность металлоорганического соединения образовывать соответствующие молекулярные ионы напрямую связана с его способностью обратимо окисляться или восстанавливаться в электрохимической ячейке.
Существует несколько точек зрения относительно механизма появления молекулярных ионов в МАЛДИ масс-спектрах. Согласно одной из них, образование ионов протекает при взаимодействии молекулярного аниона, сформированного из молекулы матрицы при ее возбуждении, и молекулы анализируемого вещества. При этом термодинамические параметры реакции переноса электрона с возбужденной молекулы матрицы на нейтральную молекулу анализируемого вещества определяют вероятность образования соответствующих молекулярных ионов. Образование молекулярных анионов может происходить и при захвате электрона из плазмы молекулой анализируемого вещества, имеющего высокое сродство к электрону. В любом случае образование молекулярного иона можно формально рассматривать как процесс одноэлектронного восстановления или окисления молекулы анализируемого вещества.
Основным критерием к матрице, выбранной для анализа металлорганических соединений, является отсутствие реакционной способности по отношению к анализируемым объектам. При анализе металлоорганических соединений в качестве матрицы применяются неполярные органические соединения такие, как р-нитроанилин, антрацен, DCTB и их аналоги. Анализ металлоорганических соединений, как правило, не требует введения в систему дополнительного ионизирующего агента. Образование ионов происходит при лазерном воздействии. В результате межмолекулярных реакций между возбужденными молекулами матрицы и исследуемого вещества в газовой фазе. При этом в зависимости от природы аналита и матрицы наблюдается предпочтительное образование ионов одного знака: катионов или анионов.
Лазерная десорбция/ионизация с поверхности металла и наноразмерных неорганических подложек
МАЛДИ является сравнительно новым инструментальным методом анализа. Его потенциальные возможности еще не до конца изучены и оценены. Интенсивное развитие данного метода приводит к появлению новых матриц, а также техник реализации метода, что значительно расширяет круг потенциальных объектов исследования.
Компанией Bruker было предложено использовать наноразмерный графит в качестве компонента эффективно поглощающего лазерное излучение. Данный метод получил название NALDI (N от nano) и подразумевает использование одноразовых подложек с нанесенным графитом. Эта методология успешно применяется для анализа низкомолекулярных объектов с массой до 1000 Да, таких как пептиды, липиды, полисахариды или металлоорганические соединения.
В качестве неорганической матрицы для анализа природных соединений и лекарственных препаратов успешно применяется графен [7]. Его применение позволяет регистрировать хорошо разрешимые спектры и проводить быструю идентификацию важных соединений.
Аналогичными свойствами обладает и обычный графит, нанесенный на стандартную подложку из нержавеющей стали. Используя графитовую подложку, в нашей лаборатории разработаны методики анализа металлокомплексов, в частности карборановых кластеров переходных металлов, хромоорганических соединений и др. Применение графита в качестве матрицы достаточно просто в исполнении. Область подложки, используемая для анализа, закрашивается очень мягким простым карандашом (5В-8В). Излишки графита удаляются ветошью. После этого на нанесенный графит наносится раствор анализируемого вещества в подходящем растворителе.
В последние годы в литературе появился ряд работ по использованию в качестве поглощающего лазер излучения наноразмерных неорганических структур. Так, наноразмерные частицы HgTe применены для изучения протеинов и их комплексов исследователями из Тайваня. Американские исследователи предложили использовать для этих целей пористый силикон. Их усилия также увенчались успехом. За данным направлением в лазерной масс-спектрометрии закрепилась аббревиатура SALDI (S от surface) [8]. В настоящее время разработаны методики анализа протеинов, их комплексов, важных аминокислот, пептидов и белков с использованием данной технологии. В настоящее время эта область масс-спектрометрии переживает бурное развитие, отражающееся в большом числе новых публикаций в ведущих рецензируемых журналах.
Ряд металлорганических соединений эффективно поглощает лазерное излучение, применяемое для ионизации. Анализ таких соединений может эффективно проводиться и без использования матрицы. Данный метод носит название ЛДИ (лазерная десорбция/ионизация) и успешно применен нами при анализе соединений редкоземельных элементов в совместных работах по программе развития ННГУ как Национального исследовательского университета с сотрудниками Института металлорганической химии им.Г.А.Разуваева Российской Академии наук [9].
Практическая часть.
Масс-спектрометрический анализ соединений различного типа с использованием прибора Bruker Microflex LT
В данном разделе описаны лабораторные работы, показывающие возможности прибора Bruker Microflex LT в плане анализа высокомолекулярных и металлоорганических соединений, а также биополимеры.
Представленный на рисунке 1 времяпролетный масс-спектрометр предназначен для рутинного исследования синтетических полимеров, протеинов и малых молекул, включая металлокомплексы, в линейном режиме. Прибор может работать как в режиме регистрации положительных, так и отрицательных ионов. Диапазон работы масс-анализатора составляет от 80 до 106 Да.
|
