Поступило в редакцию: Апрель 2021
УДК 543.51+547
Fluorine Notes, 2021, 136, 3-4
СЕРИИ ФРАГМЕНТНЫХ ИОНОВ ЦИКЛОАЛКАНОВ, ПЕРФТОРЦИКЛОГЕКСАНА, ПЕРФТОРПОЛИЦИКЛОАЛКАНОВ
Н.Д. Каграманов
Институт элементоорганических соединений им. А. Н. Несмеянова Российской академии наук, 119991, ГСП-1, Москва, В-334, ул. Вавилова, д. 28
e-mail: ndkagram@gmail.com
Аннотация: Анализом спектров соединений, содержащих регулярные фрагментные группы [CH2]n или [CF2]n: н-алканов, циклоалканов, н-перфторалканов и перфторполициклоалканов установлено, что они состоят из серий ионов, возникающих после отрыва первичных радикалов. Выбор радикала из возможных претендентов определяется разбросом энергий возбуждения молекулярных ионов и значениями стандартных энтальпий образования радикалов. В спектрах н-алканов разница между максимальной и минимальной энергией отрыва первичных радикалов М+. - 2H. + .CH3 (2.52,1 + 34,8=∆H 139) и М+. -.C2H5 (∆H 26,5) составляет около 112,5ккал/моль. После первичных отрывов энергии возбуждения ионов н‑алканов C5-C60 и циклоалканов С6-С30 усредняются, и они фрагментируют последовательными выбросами постоянной группы (C2H4 m/z 28). В спектрах перфторалканов, перфторциклогексана, перфторполициклоалканов, после отрывов первичных радикалов, в том числе: .F, 2 .F, 3 .F энергии возбуждения ионов усредняются и они фрагментируют последовательными выбросами группы (CF2 m/z 50). В результате, различных по энергии, первичных отрывов, квазиравновесные процессы фрагментации приобретают равновесный характер. В настоящем сообщении наряду с сериями ионов циклоалканов и перфторциклоалканов обсуждаются, описанные ранее, серии ионов н-алканов, н-перфторалканов и перфтортрибутиламина. Для всех серий определены первичные радикалы, топология отрывов, образующиеся первичные ионы и последовательности распада. Рост интенсивности единичного пика иона или катион радикала как правило результат его структурной стабилизации путем перегруппировки или циклизации. В спектрах высших гомологов н-алканов и циклоалканов, после отрывов первичных радикалов, происходит постепенное увеличение интенсивностей всех пиков фрагментных ионов, что сложно объяснить их синхронно возрастающей структурной стабилизацией. Фрагментация завершается образованием 6-и наиболее интенсивных пиков спектра с m/z 99, 97, 85,71,57,56, у которых соотношение молекулярной массы к массе этилена не более 3,5:1 и не менее 2:1. Этот диапазон масс оптимален для наиболее эффективного перераспределения энергии возбуждения и максимальной интенсивностей пиков ионов. Структуры ионов рассмотрены на примере спектра цикло-C30H60.
Ключевые слова: алгоритмы фрагментации, серии ионов, серии ионов циклоалканов, перфторциклогексана, перфтордекалина, перфтораценафтилена, квазиравновесные и равновесные процессы фрагментации.
Введение
Попытки расшифровки масс-спектров с целью установления схем фрагментации делались давно. Было известно, что: в масс-спектрах имеются пики ионов, образующиеся в нескольких конкурирующих (последовательных и параллельных) процессах фрагментации молекулярного и осколочных ионов [1]. Даже для масс-спектра сравнительно простого соединения обычно давалась возможная схема образования большинства осколочных ионов. Разбор масс-спектра представляет собой сложную проблему, а однозначное приписание путей фрагментации с полной достоверностью вряд ли возможно [1].
В конце прошлого века одновременно с созданием квадрупольных масс-спектрометров и установлением перечня требований к условиям съемки спектров для их воспроизводимости [2], возникновением коммерческих библиотек масс-спектров, позволяющих сравнивать спектр неизвестного вещества со спектрами базы данных, появился альтернативный подход интерпретации масс-спектров гомологов неизвестных соединений, основанный на сравнении спектра со статистически обработанными масс-спектрами ионных серий гомологических рядов [3]. Однако, в результате быстрого роста фирменных библиотек масс-спектров, метод ионных серий отошел на второй план. Настоящее исследование, имеющее похожее название, в отличие от метода ионных серий, не ставит своей целью проблем интерпретации гомологов неизвестных соединений.
Целью работы является детальный анализ всех серий спектра, поиск и установление общих закономерностей фрагментации на основе сравнительного анализа серий фрагментных ионов, общих для родственных классов химических соединений, таких как н-алканы и циклоалканы, или н-перфторалканы и перфторциклоалканы.
Прежде всего, для решения данной задачи были определены ключевые алгоритмы фрагментаций соединений, таких как н-алканы и н-перфторалканы [4].
Ранее, на примерах спектров н-алканов, а также н-карбоновых кислот и их эфиров был применен один и тот же алгоритм фрагментации, показавший себя универсальным как при анализе спектров н-алканов, так и карбоновых кислот и их эфиров, в условиях перегруппировок Мак-Лафферти [4-5].
Анализ серий ионов циклоалканов проведен с целью расширения алгоритма фрагментации н-алканов и оценки его применимости для циклоалканов.
Сравнение серий ионов н-перфторалканов, перфтортрибутиламина PFTBA [7] и перфторциклоалканов позволяет оценить их сходства и различия, необходимые для установления общих правил фрагментаций перфторсоединений.
Серии ионов циклогексана и циклотриаконтана
Масс-спектры циклоалканов С6-С30 , (NIST LIBRARY), состоят из 5-6 серий фрагментных ионов. В настоящем сообщении в качестве примеров фрагментации рассмотрены спектры циклогексана С6 и циклотриаконтана С30. Известно, что в спектре циклогексана после разрыва цикла стабилизация катион-радикала с разделенными катионным и радикальными центрами происходит путем миграции атома водорода из положения, соседнего с катионным центром [6].
Пять серий фрагментных ионов циклогексана представлены в Таблице 1.
Материнскими ионами первых трех серий 1-3 являются ионы: M -15 [M* -CH3]+; M-28 [M -C2H4]+; M -29 [M* -C2H5]+, фрагментирующие путем последовательных отрывов C2H4. Наряду с сериями 1-3 происходит достаточно интенсивный распад M+./ 2+C3H6 + .C3H6 (серия 4), а также в два раза менее интенсивный несимметричный распад M+. +C3H7 + .C3H5 (серия 5).
Таблица 1. Пять серий фрагментных ионов циклогексана C6H12 MW 84 NIST#: 291493 ID# 22612 DB: mainlib.
Серии |
C6H12 |
M 84 82,0% |
-C2H4 |
-.C2H3 |
- C2H2 |
-.C2H3 |
- 3.H |
∑%= 280,5 |
100 % I ток |
1 |
M*-.CH3 |
69 31.1% |
41 50.2% |
15 0.6% |
101,6% |
36,2% |
|||
1 |
M*-.CH3 |
69 31.1% |
42 20,3% |
15 0.6% |
|||||
2 |
M-C2H4 |
56 100% |
28 3.5% |
103,5% |
36,9% |
||||
3 |
M*- .C2H5 |
55 9,9% |
27 10.9% |
20,8% |
7,4% |
||||
4 |
M/2 M- C3H6 |
42 20,3% |
39 23,8% |
44,7% |
15,9% |
||||
5 |
M*- .C3H5 |
43 9,3% |
15 0,6% |
9,9% |
3,5% |
*- перегруппировочный ион
Базовым ионом спектра C6 является ион +C4H8 m/z 56, образующийся в серии 2, при отрыве С2H4. При отрыве аллильного радикала (серия 5) интенсивность образующегося алкильного иона +C3H7 m/z 43 составляет только 9,3%.
Близкие значения полного ионного тока серий 1 и 2 (Таблица 1) позволяют заключить, что раскрытие цикла С6H12 без перегруппировок терминальных групп с последующим отрывом C2H4 (серия 2 – 36,9 %) и раскрытие цикла с перегруппировкой, c образованием терминальных групп метильной и винильной, (серия 1 36,2%) происходят с близкой и высокой эффективностью.
Небольшой дополнительный вклад 7,4% в перегруппировочный процесс раскрытия цикла вносит серия 3, начинающаяся с отрыва этильного радикала.
При отрыве метильного радикала от перегруппировочного линейного катион радикала*[M]+., возникающий катион, с двумя терминальными радикальными центрами (1), способен к образованию цикла.
*[M]+.cycle → [CH3 (CH2)3+CH-CH2.]* - .CH3 → .CH2(CH2)2+CH-.CH2 (1)
[M]+.cycle→ .CH2CH2CH2CH2CH2CH2+ (2)
Поскольку ион серии 1 M*-.CH3 c m/z 69 +С5H9 фрагментирует как с отрывом этилена, так и с отрывом винильного радикала, цикл, по-видимому, не образуется.
Распад M/2, по сравнению с отрывом аллильного радикала происходит в два раза интенсивнее.
Серии ионов циклотриаконтана
Спектр циклотриаконтана С30H60 MW 420 NIST#: 61729 ID#: 26169 DB: mainlib включает шесть серий ионов, причем каждая из серий спектра состоит не менее чем из 13 ионов. В целях упрощения рисунка (Рисунок 1), на нем представлены пять серий ионов.
Рисунок 1. Пять серий ионов масс-спектра циклотриаконтана NIST#: 61729 ID#: 26169 DB: mainlib.
Материнскими ионами шести серий циклотриаконтана являются ионы: M* -15 [M -.CH3]+; M*-27 [M -.C2H3]+; M-28 [M -C2H4]+; M* -29 [M -.C2H5]+; M* -41 [M -.C3H5]+; M-42 [M -C3H6]+, фрагментирующие путем последовательных выбросов C2H4. Резкий спад интенсивностей первичных фрагментных ионов, по сравнению с интенсивным пиком M+. - результат дестабилизации, происходящей при разрыве цикла, его перегруппировках с отрывами первичных радикалов и образованием шести линейных фрагментных ионов.
Сразу, после образования линейных ионов и последовательных выбросов этилена начинается постепенный рост интенсивностей пиков всех фрагментных ионов, что сложно объяснить их синхронно возрастающей структурной стабилизацией. Аналогичный рост интенсивностей пиков всех фрагментных ионов наблюдается и в спектре гексаконтана н-C60H122 [4].
Рост интенсивностей последовательно фрагментирующих ионов происходит синхронно с понижением их энергий возбуждения в результате выбросов этилена и уменьшения масс.
Отрывы радикалов: -.CH3 и -.C2H5 подтверждают перегруппировку молекулярного катион радикала циклотриаконтана с образованием линейных перегруппировочных ионов, у которых одна из терминальных CH2CH2 групп разорванного цикла теряет атом водорода, превращаясь в винильную группу, а другая приобретает атом водорода, превращаясь в терминальную группу CH3.
[M]+.cycle → CH3(CH2)26CH2 +CH .CH2 - .CH3→ .CH2(CH2)25CH2+CH .CH2 (3)
При отрыве метильного радикала от линейного перегруппировочного катион- радикала образуется бирадикальный катион (3), способный к циклизации. Ион +C7H13, фрагментирует последовательными выбросами этилена с образованием ионов с меньшими циклами (4).
В результате одиннадцати отрывов этилена от ионов с концевыми винильными группами с m/z 405 (M*-.CH3 график красного цвета) и с m/z 391 (M*-.C2H5 график синего цвета) возникают две серии с возрастающими интенсивностями пиков, с максимумами при m/z 97 +C7H13 69% и m/z 83 +C6H11 65%. При отрыве от них этилена образуются пики менее интенсивных ионов с m/z 69 50% и m/z 55 39%. Последующий выброс этилена приводит к резкому снижению интенсивности пика +C3H5 с m/z 41 7,2%.
Два других перегруппировочных процесса циклотриаконтана начинаются с отрывов винильного -.C2H3, а так же аллильного .C3H5 радикалов, в результате которых одна из метиленовых групп разорванного цикла приобретает дополнительный атом водорода, превращаясь в CH3 группу.
В результате двенадцати и соответственно одиннадцати отрывов этилена от алкильных ионов с m/z 393 (M-.C2H3 график светло-фиолетового цвета) и m/z 379 (M-.C3H5 график темно-фиолетового цвета) образуются две серии с возрастающими по интенсивности пиками алкильных ионов с максимумами при m/z 57 +C4H9 100% и m/z 71 +C5H11 55%. При отрыве от них этилена образуются ионы с пиками меньшей интенсивности с m/z 29 1.1% и m/z 43 46%. Последующий отрыв этилена от иона с m/z 43 не происходит, поскольку интенсивность пика с m/z 15 +CH3 0,0%.
Еще две, не перегруппировочные, серии ионов циклотриаконтана начинаются с первичного отрыва этилена, а так же пропилена и последующих выбросов этилена. В результате образуются две серии пиков олефиновых ионов, с максимумами при m/z 56 +(CH2)4 36% и m/z 70 +(CH2)5 32%.
Весьма показательно, что при отрыве этилена от иона с m/z 56 +C4H8 интенсивность ожидаемого иона с m/z 28 равна 0%.
Когда при фрагментации образуется пара (ион-этилен) в которой масса отрываемой группы (этилена) и образующегося иона одинаковы, последний отрыв, как правило, приводит к резкому снижению интенсивности возникающего иона.
Первые фрагментные ионы высших н-алканов [4] и циклоалканов имеют максимальные массы, близкие по величине молекулярному иону, и минимальные интенсивности 1% .
Согласно квазиравновесной теории мономолекулярных реакций [8] энергия возбуждения ионизации электроном за 10-12 сек. распределяется равномерно по всем связям молекулы и, следовательно, при образовании иона и этилена делится между ними в соответствии с их массами.
В сериях ионов спектров высших гомологов циклоалканов, а также н-алканов [4] интенсивности пиков с m/z 97-56 достигают своих максимальных значений в интервале, когда соотношение массы образующегося иона к массе этилена, не более 3,5:1 и не менее 2:1 (Таблица 2).
После выброса первичных радикалов: .CH3, .C2H5 .C3H5, а также C3H6 (Таблица 2) пики ионов, имеющие максимальные интенсивности (m/z 97, 83, 71 и 70) возникают в результате отрывов одной и той же суммарной массы этилена (C2H4)11, равной 308 а.е.м. Этот факт подтверждает расходование одной и той же энергии, потраченной на отрывы этилена в четырех сериях ионов.
После первичных отрывов .C2H3 или С2H4 (Таблица 2) пики ионов, имеющие максимальные интенсивности (m/z 57 и 56) возникают в результате отрыва одной и той же суммарной массы этилена (C2H4)12, равной 336 а.е.м., что также подтверждает один и тот же расход энергии, затраченной на их образование.
Ионы с максимальными массами (m/z 97, 83, 71, 70), в отличие от ионов с минимальными массами (m/z 57 и 56), сохраняют большую энергию возбуждения, поскольку интенсивности пиков их фрагментных ионов (m/z 69-50%, 55-39%, 43-46% и 42-3,4%) больше интенсивностей пиков фрагментных ионов с минимальными массами m/z 57 и 56 (m/z 29-1% и m/z 28-0%). Сравнение интенсивностей пиков позволяет заключить о дефиците энергии ионов с минимальными массами m/z 57 и 56 и зависимости интенсивностей пиков от их масс и энергий.
Таблица 2. Шесть первичных, минимальной интенсивности, пиков ионов C30H60 MW 420, и шесть их фрагментных ионов, имеющих максимальные интенсивности.
Отрывы .R |
Первичные ионы I% |
Фрагментные и максимальные ионы I% |
Отрыв.масса (C2H4)n а.е.м. |
Доля массы иона к массе предыдущего иона и к массе этилена |
*M-.CH3 |
+(CH2)27CH=CH2 m/z 405 0.1% |
+(CH2)9CH=CH2 m/z 153 11% |
252 |
153/181= 0,84 153/28 = 5,5 |
*M-.C2H5 |
+(CH2)26CH=CH2 m/z 391 1.3% |
+(CH2)8CH=CH2 m/z 139 15% |
252 |
139/167=0,83 139/28 = 5,0 |
*M-.C3H5 |
+(CH2)26CH3 m/z 379 1.1% |
+(CH2)8CH3 m/z 127 5% |
252 |
127/155= 0,82 127/28 = 4,5 |
*M-.C2H3 |
+(CH2)27CH3 m/z 393 1.1% |
+(CH2)7CH3 m/z 113
7% |
280 |
113/141 = 0,80 113/28 = 4,0 |
M- C2H4 |
+(CH2)28 m/z 392 4.1% |
+(CH2)6 m/z 84 20% |
308 |
84/112 = 0,75 84/28 = 3,0 |
M-C3H6 |
+(CH2)27 m/z 378 1.0% |
+(CH2)7 m/z 98 13% |
280 |
98/126 = 0,78 98/28 = 3,5 |
В отличие от спектра циклогексана, прямого распада циклотриаконтана M+./2 = +C15H30 + .C15H30 вероятно не происходит. Ион с m/z 210 2,5 %, формально соответствующий распаду M+./2, образуется в шестой серии M-C3H6, после 6-и выбросов С2H4 (-168). В данной серии наиболее интенсивный пик 32% принадлежит иону +C5H10 m/z 70.
Постепенный рост интенсивностей всех пиков фрагментных ионов происходящий при уменьшении их молекулярных масс - результат снижения их энергии, затрачиваемой на выбросы этилена.
С другой стороны процесс фрагментации ионов с отрывами этилена можно рассмотреть в соответствии с законом сохранения импульса cистемы при изменении соотношения масс этилен-ион. Закон сохранения импульсов, является следствием из второго и третьего законов Ньютона [9-10]. Образование серии ионов при последовательных отрывах этилена можно представить как систему “пушка-снаряд” в которой снарядом является этилен с массой 28, а пушкой, образующийся при отрыве этилена ион. Возбужденный первичный ион-“пушка” способен многократно (в спектре C30H60 12-13 раз) выбрасывать этилен, в результате чего его масса и энергия возбуждения уменьшаются, а “откат пушки” - кинетическая энергия и интенсивность пика нового иона соответственно увеличиваются. Пушка получает скорость во столько раз меньшую скорости снаряда, во сколько раз масса пушки больше массы снаряда. Это происходит до тех пор, пока и “снаряд” и “пушка” не будут иметь близкие по величине массы, а энергия возбуждения иона не будет полностью израсходована.
Прекращение дальнейшего отрыва этилена происходит при уменьшении молекулярной массы конечных фрагментных ионов в результате отсутствия необходимой энергии возбуждении, или в результате структурной перегруппировки иона.
В шести сериях спектра циклотриаконтана образуются 6 наиболее интенсивных пиков фрагментных ионов, точнее 3 пары ионов, массы которых различаются на 14 а.е.м.:
- два иона с винильной группой +C7H13 m/z 97 69%, +C6H11 m/z 83 65%,
- два алкильных иона +C5H11 m/z 71 55%, +C4H9 m/z 57 100%;
- два олефиновых иона +C5H10 m/z 70 32%, +C4H8 m/z 56 36%;
Интенсивности пиков олефиновых ионов одинаковые 32% и 36%. Пики винильных ионов +C7H13 и +C6H11 имеют близкие интенсивности 69% и 65%, но в два раза превышают интенсивности пиков олефиновых ионов. Это может быть как следствием их больших масс, так и результатом их циклизации (3-4), по сравнению с линейными ионами +C5H10 и +C4H8. В отличие от интенсивностей винильных и олефиновых ионов, интенсивности пиков алкильных ионов (55% и 100%), различаются сильно. То есть при разнице в массах всего в 14 а.e.m. интенсивность пика с m/z 57 в два раза выше чем у пика с m/z 71. Возможно, что это результат изомеризации линейного иона +C4H9 в катион +C(CH3)3 с третичным атомом углерода (симметрия C3V).
Однако в спектре гексаконтана н-C60H122 интенсивность пика с m/z 71 возрастает до 87% (m/z 57 100%), что может быть связано со стабилизирующим влиянием его молекулярной массы [4].
По сравнению с алкильными и винильными ионами, возможности изомеризации, циклизации и стабилизации олефиновых ионов минимальны. Тем не менее, в сериях ионов +.M- C2H4 и +.M- C3H6 (Рисунок 1, Таблица 2) происходит последовательный рост интенсивностей всех пиков олефиновых ионов.
В спектрах циклоалканов С6-С30 (как и в спектрах низших гомологов н-алканов С1-С11 [4]) при увеличении молекулярной массы гомологов, в зависимости от четного или нечетного числа атомов углерода происходит смена или “сдвиг” базового иона. Так в циклоалканах C6-C8 базовый ион +C4H8 с m/z 56, в C10-C12 +C4H7 m/z 55, в C13 +C3H5 m/z 41, в C14 +C4H7 m/z 55, в C15 +C6H11 m/z 83, в C16-C20 +C4H7 m/z 55, в C24 +C3H7 m/z 43, в C28 -C30 +C4H9 m/z 57. Вместе со сменой базовых ионов меняются соотношения интенсивностей пиков, завершающих фрагментацию. Пик базового иона может быть результатом преимущественной олефиновой фрагментации, как например базовый ион +C4H8 c m/z 56 100% в спектре циклогексана. Базовый ион низших гомологов, оставаясь в своей серии, может сдвигаться на 14-28 а.е.м., в зависимости от молекулярной массы гомолога, четного или нечетного числа углеродных атомов.
Эти изменения в спектрах связаны с процессами фрагментации, стабилизации и структурными факторами, возникающими при увеличении молекулярной массы. Однако, постепенный рост интенсивностей всех пиков фрагментных ионов, при последовательных отрывах этилена, в спектрах циклотриаконтана С30H60, а также гексаконтана н-C60H122 подтверждает существующую связь и зависимость интенсивностей пиков ионов от их масс и энергий.
Серии ионов перфторэйкозана и перфтортрибутиламина
В спектрах н-перфторалканов, в отличие от спектров н-алканов, после выброса первичного радикала последняя значащая цифра масс всех ионов серии одна и та же.
Первичному иону алкильной серии н-перфторалканов соответствует интенсивный пик [M-.F]+ в спектрах гомологов С1-С3, заметный пик в спектрах C6-C16 и очень слабый, следовый (Tr) пик в спектрах высших гомологов. Выброс атома фтора вскрывает цепь, фрагментирующую последовательными отрывами CF2 [4].
Из-за очень низкой интенсивности промежуточные фрагментные пики ионов перфторэйкозана н-C20F42, которые завершает пик с m/z 769, не видны. Ион с m/z 769 формально соответствует отрыву перфторалкильного радикала .C5F11.
Однако, принимая во внимание, что первый фрагментный ион всех низших гомологи н-перфторалканов C1-C14 образуется при отрыве атома фтора, следует заключить, что ион с m/z 769 образуется в результате первичного отрыва атома фтора и пяти выбросов CF2.
Другим процессом фрагментации н-перфторалканов, приводящим к образованию серии пиков алкенильных ионов +CF2(CF2)nCF=CF2 является отрыв трех атомов фтора M-57.
Серия [M-3.F] начинается с отрыва 2-х атомов фтора и образования перегруппировочного катион-радикала c терминальной винильной группой, защищающей один из “флангов цепи” от фрагментации. Возбужденный перегруппировочный катион радикал выбрасывает третий атом фтора, отрываемый от противоположной терминальной группы CF3 (5).
[M]+. -2 .F → CF3(CF2)n +CF-CF2. * -.F → .CF2 (CF2)n+CF-.CF2 (5)
Ион с двумя радикальными центрами способен к циклизации.
Отрыв M-57 обычно сопровождается выбросом CF2, так что вместо M-57 он соответствует отрыву M-107. Именно таким путем происходит образование первого фрагментного иона с m/z 931 0,5% (M-107) перфторэйкозана C20F43 MW 1038 NIST#: 239239 ID#: 36518 DB: mainlib.
Следующий фиксируемый алкенильный ион с m/z 731 0,1% (Рисунок 2) образуется после четырех последовательных отрывов CF2.
Рисунок 2. Две серии фрагментных ионов перфторэйкозана NIST#:239239 ID#:36518 DB:mainlib.
В спектрах н-перфторалканов при отрывах групп CF2, так же как в спектрах н-алканов при отрывах С2H4 происходит последовательный рост интенсивностей всех пиков (Рисунок 2). Некоторый спад интенсивности пика +C2F5 – результат параллельного отрыва .F с образованием +.C2F4. Отрыв CF2 от иона CF2=CF-CF2+ приводит к потере массы, снижению энергии иона CF2=CF+ и к его частичной дестабилизации.
По сравнению со спектрами н-перфторалканов, спектр перфтортрибутиламина (PFTBA) с центральным атомом азота, фиксирующим концевые группы CF2 трех перфторбутильных заместителей интересен в плане происходящих в нем изменений фрагментации [7].
Спектр PFTBA N(C4F9)3 MW671 (NIST#: 66003 ID#:8854 DB: replib Contributor: G.W.A. MILNE, NAT’L INSTITUTES OF HEALTH, USA) - является суммой трех главных серий ионов с катион-радикальными центрами на (C4F9)2N. +CF2-α и (C4F9)2NCF2+ .CF2-β σ-связях центральной (“концевой") группы атомов [M].+, а также σ-связи F. +CF2(CF2)3N(C4F9)2 одной из периферийных групп CF3. (Рисунок 3).
По аналогии с н-перфторалканами, при фрагментации перфторбутильного иона PFTBA, в результате отрыва двух атомов фтора образуется дополнительная алкенильная подсерия ионов c m/z 181, 131, 81 (6).
(C4F9)2N. +C4F9→ (C4F9)2N. + +C4F9 - 3CF2 →+CF3 m/z 69
+C4F9 – 2 .F → +CF2CF2CF=CF2 m/z 181 – CF2 → +CF2-CF=CF2 m/z 131 (6)
Отрыв радикала фтора от одной из CF3 групп (серия M-.F) сопровождается отрывом еще двух атомов фтора от двух других групп CF3, так, что первым пиком этой серии является пик иона M-3.F m/z 614 4,1%.
Вероятно, отрыв M-.F нарушает симметрию молекулы и инициирует симметричные отрывы еще двух атомов фтора от двух других CF3 групп.
Пики ионов с m/z 564, 514, 464, 414, 364, 314, 264, 214,164,114, соответствующие десяти отрывам CF2 от иона M-3.F с m/z 614 завершает [CF2NCF2]+ c m/z 114.
Серия M-3.F m/z 614 (по аналогии с сериями н-перфторалканов) имеет две дополнительные алкенильных подсерии, образующихся путем стабилизирующих концевых выбросов еще двух атомов фтора от двух прилежащих к азоту групп CF2 одного из заместителей С4F9 m/z 576, а также четырех атомов фтора от двух заместителей С4F9 m/z 538.
[(C4F9)3N]+. –5.F → +CF2CF2CF=CFN(C4F9)2 –2.F → (+CF2CF2CF=CF)2N(C4F9) (7)
В результате последовательных выбросов CF2 происходит образование двух подсерий:
- M-5 .F: 576, 526, 476, 426, 376, 326, 176, 126, 76 и соответственно
- M-7 .F: 538, 488.438, 388, 338, 288, 238.188, 138.
Все перечисленные пики хорошо видны в масс-спектре PFTBA ID#:386460 DB: wiley_nist98.
Рисунок 3. Четыре серии фрагментных ионов PFTBA.
Резкий рост интенсивности пика иона +C4F9 m/z 219 – результат снижения энергии возбуждения M+., происходящий при выбросе радикала .N(C4F9)2 с m/z 395. Спад интенсивности пика иона +C4F9 m/z 219 – результат двух параллельных путей его фрагментации с выбросом CF2 и отрывом двух атомов фтора [4].
Три серии ионов спектров PFTBA и н-перфторэйкозана похожи между собой. В обоих спектрах есть серия алкильных фрагментных ионов +CnF2n+1 и ее алкенильная подсерия +CnF2n-1. В обоих спектрах после отрыва атомов фтора от терминальных групп CF3 происходят дополнительные стабилизирующие отрывы 2-х атомов фтора от концевых групп CF2-CF2.
Серии ионов перфторциклогексана
Масс-спектр C6F12, а также спектры циклогексанов, содержащие как атомы фтора, так и атомы водорода впервые были представлены в работе [11]. Хотя замена одного атома фтора на атом водорода не изменяла основной пик спектра, который по-прежнему оставался ионом +C3F5 m/z 131, тем не менее, в результате такой замены исчезали минорные пики: M+. и +C3F6 m/z 150, интенсивный пик +C5F9 m/z 231, а также +C6F11 c m/z 281. Возникали новые водородсодержащие пики +C6F10H m/z 263 , +C5F8H m/z 213, +C4F6H m/z 163, +C3F4H m/z 113, +C2F2H m/z 63, фрагментирующие как с отрывами HF, так и с отрывами CF2. Замена одного, а также нескольких атомов фтора на атомы водорода не позволили прояснить последовательности фрагментации перфторциклогексана.
Фрагментные ионы C6F12 MW 300 (NIST#: 34431 ID#: 115484 DB: main) можно сгруппировать в пять четко выраженных серий (Таблица 3).
Таблица 3. Пять серий фрагментных ионов перфторциклогексана.
Серии |
C6F12 |
M 300 0,7% |
-CF2 |
-CF2 |
-CF2 |
-CF2 |
-CF2 |
∑%= 308,8 |
% I ток |
1 |
M-.F |
281 3.7% |
231 20.9% |
181 21.4% |
131 100.0% |
81 2.1% |
31 21.8% |
170.6 |
55.2 |
2 |
M-2.F |
262 Tr |
212 0.1% |
162 3.9% |
112 2.5% |
62 1.2% |
7.7 |
2.5 |
|
3 |
M-3.F |
243 Tr |
193 2.7% |
143 2.0% |
93 15.0% |
43 0.3% |
20.0 |
6.5 |
|
4 |
M/2 |
150 0.4% |
100 29.2% |
50 5.1% |
34.7 |
11.3 |
|||
5 |
*M-.C3F5 |
169 Tr |
119 5.5% |
69 70.3% |
75.8 |
24.5 |
Tr - интенсивность пика в % на уровне следа (trace)
Три серии ионов перфторциклогексана (1-3) образуются после первичных отрывов одного, двух, а так же трех атомов фтора от одной из терминальных групп CF2CF2CF2 цепи разорванного цикла.
Материнскими ионами этих трех серий являются алкенильные ионы:
- 1-я серия- ион с m/z 281 3.7% CF2=CF-(CF2)3-+CF2 , или способный к циклизации бирадикальный катион .CF2 -+CF-(CF2)3-.CF2;
- 2-я серия - линейный катион с m/z 262 Tr % CF2 =C+-(CF2)3-.CF2;
- 3-я серия - ион с m/z 243 Tr % CF2=C=CF-(CF2)2-+CF2, или способный к циклизации бирадикальный катион .CF2 -+C=CF-(CF2)2-.CF2;
В результате последовательных отрывов CF2 от алкенильных ионов 281, 262 и 243 образуются промежуточные, а также конечные ионы с m/z 31 +CF 21,8%, 62 +C2F2 1,2% и 43 C2F 0.3% (Таблица 3).
Еще две серии ионов в спектре C6F12, возникают в результате разрыва двух C-C связей цикла. Это серия N4 11,3%, - результат симметричного распада M/2 c образованием иона +C3F6 m/z 150 0.4%, фрагментирующего с отрывом CF2 и образованием иона +C2F4 29%. И серия N5 24,5%, - несимметричный, перегруппировочный распад:
+.M- .C3F5 →*+CF2CF2CF3 m/z 169 Tr.
Именно из перегруппировочного иона *+C3F7 при отрывах CF2 образуются ионы: +C2F5 5.5% и +CF3 70%. Несимметричный перегруппировочный распад +.C6F12 с отрывом .C3F5, по сравнению с отрывом M/2 происходит в два раза интенсивнее.
При сравнении ионных токов серий (Таблица 3) наиболее интенсивной 55.2% серией является серия 1 (отрыв 1 атома фтора). За ней следуют серии 5 - 24.5% и 4 - 11.3% (отрывы .C3F5 и C3F6). Серии с отрывами трех и двух атомов фтора имеют минимальные интенсивности 6.5 и 2.5% соответственно.
Последовательности образования и графики четырех серий фрагментации перфторциклогексана с реальными интенсивностями образующихся ионов представлены на Рисунке 4.
Рисунок 4. Четыре серии фрагментных ионов перфторциклогексана.
Образование трех серий ионов с отрывами одного, двух и трех атомов фтора общий процесс фрагментации перфторуглеродных соединений, связанный с разбросом кинетической энергии ионизирующих электронов, что соответствует квазиравновесной теории мономолекулярных реакций [7].
Поскольку ионизирующие электроны передают молекулам исследуемого соединения различное количество энергии, то молекулярные ионы обладают набором значений внутренней энергии, поэтому для одного и того же пути фрагментации существует набор скоростей распада, что отличает молекулярные ионы от систем, где реагирующие частицы находятся в тепловом равновесии и где каждая данная реакция имеет одну данную скорость при данной температуре [1].
Серии ионов спектров перфторциклогексана, перфторэйкозана, PFTBA позволяют заключить, что фрагментация и распад M+. не происходит с разными скоростями по одному и тому же пути. Молекулярные ионы действительно обладают набором значений внутренней энергии. Именно этим объясняются первичные отрывы одного, двух, а так же трех атомов фтора в трех разных сериях фрагментации перфторциклогексана. Одного и трех атомов фтора в спектре перфторэйкозана. Двух, трех, пяти, а так же семи атомов фтора в четырех сериях спектра PFTBA. Тем не менее, именно на стадии первичных отрывов атомов фтора происходит выравнивание энергий возбуждения ионов всех серий, фрагментирующих далее последовательным выбросом CF2. Стабильность базового иона +CF3 m/z 69* 70% (группа С3V) вероятно связана с его симметрией и его массой, а также с недостатком энергии для отрыва CF2 , поскольку такой отрыв происходит лишь в незначительной степени только у гомологов н-перфторалканов с минимальными массами C1 и С2.
Серии ионов перфтордекалина
В зависимости от взаимной ориентации двух атомов фтора в положениях 4а и 8а, перфтордекалин существует в цис- и транс- стериоизомерных формах.
Спектр перфтордекалина (смесь цис- и транс- изомеров) C10F18 MW 462 (NIST#: 227559 ID#: 36292 DB: main) является суммой пяти серий ионов:
- 1-я серия - разрыв цикла с выбросом семи групп CF2: +.M- CF2 412 0,5%, 362 0,2%, 262 0,4%, 212 1,1%, 162 4,7%, 112 2,2%, 62 .CF=+CF 0,2%. ∑9,3 %.
- 2-я серия - выброс атома фтора +.M-.F= 443, затем семь отрывов CF2: 443 1,7%, 393 6,3%, 343 4,8%, 293 28,3%, 243 22,5% ,193 7,0%,143 6,1%, 93 10,7% (серия ионов +.M-F+n(CF2)) ∑87,4 %.
- 3-я серия - разрыв цикла с выбросом +.M- CF2=CF. 381, затем шесть отрывов CF2: 381 0,2%, 331 0,8%, 281 0,7%,231 2,1%,181 9,2%,131 77,4%, 81 0,7% ,31 4,9% (серия алкенильных ионов CF2=+CF) ∑96,1 %.
<
- 4*-я (перегруппировочная) серия- разрыв цикла с выбросом радикала .C6F9 +.M- .C6F9 (m/z 243) = +CF2CF2CF2CF3 m/z 219, затем три отрыва CF2: 219 1,3%, 169 5,9%, 119 13,7%, 69 100% - (алкильная серия ионов) ∑120,9 %.
- 5-я серия выброс трех атомов фтора и CF2: +.M-107 (M-3.F-CF2)= 355 1,7%, затем шесть отрывов CF2: 305 1,3%, 255 2,4%, 205 4,0%, 155 4,4%, 105 0,9% +C4F3 (катион трифтортетраэдрана) ∑14,7 %.
Таблица 4. Пять серий фрагментных ионов перфордекалина.
Серии ионов |
M C10F18 462 0,2% |
|
-CF2 |
-CF2 |
-CF2 |
-CF2 |
-CF2 |
-CF2 |
-CF2 |
∑% 343,6% |
100% I ток |
1 |
M- 7(CF2) |
462 0.2% |
412 0.5% |
362 0.2% |
262 0.4% |
212 1,1% |
162 4,7% |
112 2,2% |
62 0,2% |
9,5 |
2,7% |
2 |
M-F=443 |
443 1,7% |
393 6,3% |
343 4,8% |
293 28,3% |
243 22,5% |
193 7,0% |
143 6,1% |
93 10,7% |
87,4 |
25,4% |
3 |
M-CF2CF. |
381 0,2% |
331 0,8% |
281 0,8% |
231 2,1% |
181 9.2% |
131 77,4 |
81 0,7% |
31 4,9% |
96,1 |
28,0% |
M/2 =231 |
231 2.1% |
181 9.2% |
131 77,4 |
81 0,7% |
31 4,9% |
94,3 |
|||||
4* |
M-.C6F9 M-243 |
219 1,3% |
169 5.9% |
119 13,7% |
69 100% |
120,9 |
35,2% |
||||
4 |
100 14,0% |
50 1,0% |
15,0 |
4,4% |
|||||||
5 |
M-3F+CF2 |
355 1,7% |
305 1,3% |
255 2,4% |
205 4,0% |
155 4,4% |
105 0,9% |
14,7 |
4,3 % |
Пики ионов, выделенные полужирным шрифтом, имеют максимальную интенсивность.
Из пяти серий перфтордекалина (Таблица 4) наиболее интенсивными, с максимальными значениям полного ионного тока, являются три серии:
- N4* M- .C6F9, приводящая к образованию базового пика +CF3 (35,2%);
- N3 M- .CFCF2, приводящая к образованию пика CF2=CF-+CF2 (28,0%);
- N2 M-. F, приводящая к образованию пика c m/z 293 +C7F11 (25,4%);
завершающаяся ионом +C3F3 93 10,7%
Рисунок 5. Три серии фрагментных ионов перфтордекалина.
Интенсивности пиков серии 3 (+.M- .CF=CF2) и линейной серии 4 (* +.М - .С6F9 ) возрастают до максимальных значений при уменьшении их масс до 69 и 131 соответственно. А вот в циклической серии 2 (+.M-F), наиболее интенсивный ион, с m/z 293 28% возникает не в конце, а в середине серии, что возможно связано с ростом стабильности катиона +C7F11 m/z 293, дальнейшая фрагментация которого приводит к образованию полициклических ионов +C4F5 m/z 143 и +C3F3 m/z 93, c высокой напряженностью малых циклов [12] и низкой интенсивностью пиков.
Серии ионов 1,1,2,2,3,3,3а,4,4,5,5,5а,6,6,7,7,8,8,8a,8b-икосафтораценафтилена (аценафтилена)
Спектр аценафтилена C12F20 MW524 (NIST#: 394464 ID#: 115492 DB: mainlib), включает семь серий ионов. Графики серий ионов C12F20 представлены на Рисунке 6.
Рисунок 6. Графики серий ионов C12F20 перфтораценафтилена.
Семь серий фрагментных ионов перфтораценафтилена:
- 1-я серия- +.M 524 2,7%, отрыв атома .F (+.M-.F)=505 0,9%, затем восемь отрывов CF2: 455 2,3%, 405 7,1%, 355 7,4%, 305 9,9%, 255 15,1%, 205 12,3%, 155 10,7%, 105 0,3%; ∑%= 68,7%. (13,6 %)
- 2-я серия +.M 524 2,7%, отрыв двух атомов фтора и CF2: M- 88 (+.M-2 .F + CF2) = 436 C11F16 0,1%, затем 7 отрывов CF2: 386 2,7%, 336 2,8%, 286 6,3%, 236 7,9%, 186 5,3%, 136 0,7%, 86 0%; ∑%=28,5%. 28,2 (5,6 %)
- 3-я серия +.M 524 2,7%, отрыв 3-х атомов F и CF2 (+.M-107 = 417 +С11F15 6,8%), затем два отрыва CF2: 367 15,5%, 317 34,6%, затем еще четыре отрыва CF2: 267 32,5%, 217 14,1%,167 2,6%, 117 3,1%; ∑%=111,9%. (22,1%)
- 4*-я (перегруппировочная) серия +.M 524 2,7%, отрыв радикала .C4F7 m/z 181 (+.M- 181 = 343 +C8F13 1,5%), затем пять отрывов CF2: 293 4,4%, 243 17,4%, 193 18,1%, 143 11,0%, 93 8,0%; ∑%= 63,1% (12,5%)
- 5-я серия +.M 524 2,7%, отрыв радикала .C5F7 m/z193 (+.M-193 = 331 +C7F13 0%), затем четыре отрыва CF2: 281 0,8%, 231 5,7%, 181 33,9%, 131 100%; ∑%=143,1% (28,3%)
- 6*-я (перегруппировочная) серия +.M 524 2,7%, отрыв октафторциклопентена C5F8 m/z 212 (+.M - C5F8 = 312 +C7F12 0,1%), затем четыре отрыва CF2: 262 0,3%, 212 4,5%, 162 19,0%, 112 0,3%; ∑%=26,9% (5,3%).
- 7*-я (перегруппировочная) серия +.M 524 2,7%, отрыв радикала .C9F13 m/z 355 (+.M- 355 = 169 +C3F7 2,8%), затем два отрыва CF2: 119 11,7%, 69 45,8%; ∑%=63,0% (12,5%)
В спектре C12F20 сериями с максимальными значениями полного ионного тока являются три серии:
- N5 M- .C5F7, приводящая к образованию базового пика CF2=CF-+CF2 (28,3%);
- N3 M-3.F, приводящая к образованию пика c m/z 317 +C9F11 (22,1%);
- N1 M- .F, приводящая к образованию пика c m/z 255 +C7F9 (13,6%);
В отличие от серии 5 (базовый пик иона CF2=CF-+CF2 100%) и серии 7 (интенсивный пик иона CF3 45,8%), в которых наиболее интенсивные пики ионов образуются в конце фрагментации, в серии 3 наиболее интенсивный пик иона образуется в середине серии (ион +С9F11 m/z 317 35%), что может быть результатом стабилизации иона в ходе фрагментации или перегруппировки.
Заключение
Детальное изучение ионных серий спектра позволяет определить главные и второстепенные пути фрагментации, а также их последовательности и соотношения.
В спектрах гомологов, содержащих регулярные фрагментные группы [CH2]n или [CF2]n, после выброса первичных радикалов или нейтральных молекул, энергии возбуждения образующихся ионов усредняются, и они фрагментируют отрывом постоянных фрагментных групп C2H4 или CF2. Процесс фрагментации приобретает равновесный характер.
В спектрах высших н-алканов и циклоалканов, а также н-перфторалканов, после отрывов первичных радикалов, происходит постепенный рост интенсивностей всех пиков фрагментных ионов, что сложно объяснить их синхронно возрастающей структурной стабилизацией. В четырех разных сериях циклотриаконтана наиболее интенсивные фрагментные ионы образуются при отрывах одной и той же суммарной массы этилена (C2H4)12, равной 308 а.е.м., что подтверждает расходование одной и той же энергии.
Последовательный рост интенсивностей пиков всех ионов в спектрах гомологов н‑алканов и циклоалканов происходит в результате перераспределения энергии возбуждения, при выбросах постоянной фрагментной группы и последовательном уменьшении их масс.
Смена базовых пиков в спектрах циклоалканов C6-C30, а так же н-алканов С1-С11 происходит в зависимости от молекулярной массы гомолога, а так же четного или нечетного числа углеродных атомов.
В сериях ионов спектров высших гомологов циклоалканов, а также н-алканов интенсивности пиков с m/z 97-56 достигают своих максимальных значений в интервале, когда соотношение массы образующегося иона к массе этилена, не более 3,5:1 и не менее 2:1.
Фрагментация PFTBA, в частности отрыв трех атомов фтора от трех терминальных групп CF3 подтверждает влияние симметрии молекулы на ее фрагментацию при ионизации электронами.
Поиск вариантов первичных отрывов и образующихся серий ионов может применяться и при анализе спектров более сложных молекул. Даже при отсутствии в исследуемом соединении регулярных фрагментных групп, рассмотрение всех вариантов отрывов первичных радикалов и установление нескольких соответствующих ионных серий спектра более продуктивно, чем описание интерпретируемого спектра, как единого целого.
Благодарности
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации с использованием научного оборудования Центра исследования строений молекул ИНЭОС РАН.
Список литературы
- Тахистов В.В., Практическая масс-спектрометрия органических соединений., Изд. Ленингр. ун-та, 1977, 197-198, 268 c.
- Speck D. D., Venkataraghavan R., McLafferty F.W., Org. Mass Spectrom., 1978, 13, 209-214.
- Зенкевич И.Г., Иоффе Б.В., Интерпретация масс-спектров органических соединений, Ленинград, Химия, 1986,175 с.
- Каграманов Н.Д., Алгоритмы фрагментаций н-алканов и н-перфторалканов, Fluorine notes, 2020, 1(128), 3-4.
- Каграманов Н.Д., Новый взгляд на перегруппировку Мак-Лафферти в спектрах н‑карбоновых кислот их метиловых и 2,2,2-трифторметиловых эфиров. Fluorine notes, 2020, 5(132), 3-4
- Тахистов В.В., Практическая масс-спектрометрия органических соединений., Изд. Ленингр. ун-та, 1977, 74, 268 c.
- Каграманов Н.Д., Три серии ионов масс-спектра перфтортрибутиламина (PFTBA). Fluorine notes, 2020, 3(130), 1-2.
- Rosenshtock H.M., Wallenstein H.B., Warhafig A., Eyring H., Proc. Natl. Acad. Sci USA, 1952, 38, 667.
- Ландсберг Г.С., Элементарный учебник физики, том 1, Механика. Теплота. Молекулярная физика, Наука, Москва, 1971, 122-127, 656c.
- Ландау Л.Д., Лифшиц Е.M., Теоретическая физика, 4-е изд., испр., Наука, Москва, 1988, Т.1., Механика, 26, 215c.
- J.R.Majer, Mass spectrometry of fluorine compounds, Advances in fluorine chemistry, vol. 2, London Butterworths, 1961, 75-80.
- Заикин В.Г., Микая А.И., Вдовин В.М., Масс-спектрометрия малых циклов, Наука, Москва, 1983.
Статья рекомендована к публикации членом редколлегии к.х.н. М. А. Манаенковой
Fluorine Notes, 2021, 136, 3-4