Издание журнала осуществляется при поддержке ООО НПО "Пим-Инвест" и ИНЭОС РАН
Выпуск № 3(136), май - июнь 2021 — "Серии фрагментных ионов циклоалканов, перфторциклогексана, перфторполициклоалканов"
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 С630 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 С630 , (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%
+(CH2)7CH=CH2 m/z 125 23%
+(CH2)5CH=CH2 m/z 97 69%
+(CH2)3CH=CH2 m/z 69 50%
+CH2CH=CH2 m/z 41 7%

252
280
308
336
364

153/181= 0,84 153/28 = 5,5
125/153= 0,82 125/28 = 4,5
97/125 = 0,78 97/28 = 3,5
69/97 = 0,71 69/28 = 2,5
41/69 = 0,59 41/28 = 1,5

*M-.C2H5

+(CH2)26CH=CH2

m/z 391 1.3%

+(CH2)8CH=CH2 m/z 139 15%
+(CH2)6CH=CH2 m/z 111 39%
+(CH2)4CH=CH2 m/z 83 65%
+(CH2)2CH=CH2 m/z 55 39%
+ CH=CH2 m/z 27 0,1%

252
280
308
336
364

139/167=0,83 139/28 = 5,0
111/139=0,80 111/28 = 4,0
83/111 = 0,75 83/28 = 3,0
55/83 = 0,66 55/28 = 2,0
27/55 = 0,49 27/28 = 1,0

*M-.C3H5

+(CH2)26CH3

m/z 379 1.1%

+(CH2)8CH3 m/z 127 5%
+(CH2)6CH3 m/z 99 10 %
+(CH2)4CH3 m/z 71 55%
+(CH2)2CH3 m/z 43 46%
+CH3 m/z 15 0%

252
280
308
336
364

127/155= 0,82 127/28 = 4,5
99/127 = 0,78 99/28 = 3,5
71/99 = 0,72 71/28 = 2,5
43/71 = 0,61 43/28 = 1,5
15/43 = 0,35 15/28 = 0,5

*M-.C2H3

+(CH2)27CH3

m/z 393 1.1%

+(CH2)7CH3 m/z 113 7%
+(CH2)5CH3 m/z 85 33%
+(CH2)3CH3 m/z 57 100%
+CH2CH3 m/z 29 1%

280
308
336
364

113/141 = 0,80 113/28 = 4,0
85/113 = 0,75 85/28 = 3,0
57/85 = 0,67 57/28 = 2,0
29/57 = 0,51 29/28 =1,0

M- C2H4

+(CH2)28

m/z 392 4.1%

+(CH2)6 m/z 84 20%
+(CH2)4 m/z 56 36%
+(CH2)2 m/z 28 0%

308
336
364

84/112 = 0,75 84/28 = 3,0
56/84 = 0,66 56/28 = 2,0
28/56 = 0,50 28/28 = 1,0

M-C3H6

+(CH2)27

m/z 378 1.0%

+(CH2)7 m/z 98 13%
+(CH2)5 m/z 70 32%
+(CH2)3 m/z 42 3.4%

280
308
336

98/126 = 0,78 98/28 = 3,5
70/98 = 0,71 70/28 = 2,5
42/70 = 0,60 42/28 = 1,5

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 С630 (как и в спектрах низших гомологов н-алканов С111 [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 С13, 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*(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 С111 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

  1. Тахистов В.В., Практическая масс-спектрометрия органических соединений., Изд. Ленингр. ун-та, 1977, 197-198, 268 c.
  2. Speck D. D., Venkataraghavan R., McLafferty F.W., Org. Mass Spectrom., 1978, 13, 209-214.
  3. Зенкевич И.Г., Иоффе Б.В., Интерпретация масс-спектров органических соединений, Ленинград, Химия, 1986,175 с.
  4. Каграманов Н.Д., Алгоритмы фрагментаций н-алканов и н-перфторалканов, Fluorine notes, 2020, 1(128), 3-4.
  5. 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
  6. Тахистов В.В., Практическая масс-спектрометрия органических соединений., Изд. Ленингр. ун-та, 1977, 74, 268 c.
  7. Каграманов Н.Д., Три серии ионов масс-спектра перфтортрибутиламина (PFTBA). Fluorine notes, 2020, 3(130), 1-2.
  8. Rosenshtock H.M., Wallenstein H.B., Warhafig A., Eyring H., Proc. Natl. Acad. Sci USA, 1952, 38, 667.
  9. Ландсберг Г.С., Элементарный учебник физики, том 1, Механика. Теплота. Молекулярная физика, Наука, Москва, 1971, 122-127, 656c.
  10. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.M., Теоретическая физика, 4-е изд., испр., Наука, Москва, 1988, Т.1., Механика, 26, 215c.
  11. J.R.Majer, Mass spectrometry of fluorine compounds, Advances in fluorine chemistry, vol. 2, London Butterworths, 1961, 75-80.
  12. 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

© 1998-2025 Fluorine Notes. All Rights Reserved.