Эглинтон Дж., Мэрфи М.Т.Дж. (ред.) Органическая геохимия

Подождите немного. Документ загружается.

процент S

. Отношения С/Н откладываются по абсциссе так, что насыщен-

ные алкильные фрагменты появляются только у больших делений, например

С„Н

„

С„

2n+3

и т. д., а промежуток между большими делениями

разбит на 7 участков по ненасыщенности: двойным связям и (или) кольцам.

Так, насыщенный алкан будет иметь все главные пики, кроме моле! уляр-

ного, при больших делениях С„Н

„

. Таким способом можно легко полу-

чить сведения о типах ионов [52], из которых состоит спектр. Молекулярный

ион соединения (I) находится на графике С/Н0

и в соответствии с этим имеет

состав C

. Потеря метального радикала приводит к иону а

, C

(см. рис. III-3), обладающему двумя степенями ненасыщенности, т. е. со-

держащему обе оксогруппы.

При расщеплении простых связей, находящихся в а-положении к кар-

бонильным функциям, образуются ацильные фрагменты: а

, C

;

, C

O; а

, C

. Другая группа фрагментов возникает при разрыве

связей 2, 3- (^

) и 12,13- (Ь

), находящихся в р-положении к карбонильным

функциям; заряд остается на длинноцепочечной части молекулы. Такие

разрывы фактически характеризуют алифатическую длинноцепочечную ди-

оксофункциональность и представляют собой очень сложные фрагмента-

ционные процессы [53].

В третью группу входят фрагменты, образующиеся при перемещении

атомов водорода вследствие перегруппировки [54], происходящей в случае,

когда в молекуле есть атом водорода в у-положении к карбонильной группе.

Они появляются у малых делений*, обозначены через C

, C

, и с

2г

O, и могут быть изображены следующим образом:

Учет этой перегруппировки полезен для определения замещения атома

углерода в а-положении в карбонильной группе, так как в таком случае

фрагмент смещается на величину массы заместителя (см. обсуждение а-ме-

тилдикарбоновых кислот в разделе III.Б).

Оставив масс-спектр чистого соединения, рассмотрим, какие сведения

можно получить из спектров высокого разрешения сложных смесей, выде-

ленных из углеродсодержащих осадков. Нами выбраны спектры трех сме-

сей: общей фракции кислот, их разветвленных и циклических эфиров и общей

основной фракции. На первом спектре (рис. III-4, а) показаны ионы С/Н0

из общей фракции свободных кислот, выделенных ультразвуковой экстрак-

цией (бензол -f- метанол, 3:1) из размельченного аляскинского тасмавита

[55]; на втором — ионы С/Н0

(рис. III-4, б), образующиеся из разветвлен-

ных и циклических эфиров, остающихся после удаления нормальных эфи-

ров с помощью клатратообразования. На рис. III-4, а, можно отметить не-

сколько рядов молекулярных ионов: a — C„H

2n+2

(re = 81-f-5); b —

* Фрагменты у малых делений представляют собой ионы с нечетным числом электро-

нов, в том числе молекулярные ионы, фрагменты, образующиеся при потере нейтральных

молекул (СО, H

O, NH

, HCN и др.), и ионы, получающиеся при перемещении одного

атома водорода.

с,

(л*= 15 ч- 18); * с - C

(п = 7 + 13) и ряд который

не видно на графике из-за совпадения с рядом а, — d, C

(п =

= 14 -ь 17). Ряд а — это насыщенные карбоновые кислоты, ряд Ъ — три-

циклические ароматические кислоты (фенантренового или антраценового

типа), ряд с — фенилалкановые кислоты и ряд d — нафтилалкановые

кислоты. Интенсивные пики на рис. 111-4, а при C

являются

фрагментами соединений ряда а. Наконец, надо отметить пик е состава

г®

1 ill. .Ill

л Iq" ^

^Ss Sj- Sj-

|Я|„

о \о а

Ь е

d\b

•ч- ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ ^ <Sj-

I ^dbdbdbd

ц|||| ;i|i|iii;Jim'iJiiiiiiiii

и mil

Г С I с/ II III (III ИНН ищи II

IH J

I ^dbdbdbd

ц|||| ;i|i|iii;Jim'iJiiiiiiiii

и mil

to is ^ It E ItA^ ^ SS

S- «5- S

Рис. III-4. Часть масс-спектра высокого разрешения смеси кислот

(а), выделившихся при первой ультразвуковой экстракции раствори-

телями аляскинского тасманита, и эфиров (б), полученных этерифика-

цией кислот с последующим клатратообразованием (т. е. разветвлен-

ных и циклических эфиров).

(рис. III-4, а) и C

(рис. III-4, б). Этот состав соответствует

циклоароматической кислоте:

c00

H II

Сделаем общее замечание о преимуществах принятой формы построения

гетероатомных графиков. На рис. III-4, а видно, как легко сравнивать рас-

пределения фрагментов по отношению С/Н, основанному на простых расще-

плениях эталонных к-алканов. Конечно, для чистого соединения при таком

представлении картины фрагментации можно провести количественные

сравнения содержания ионов, чтобы установить полную структурную иден-

тичность. Обработав мочевиной эфиры, полученные из общей фракции кислот,

можно удалить эфиры нормальных жирных кислот (ряда а). Молекулярные

* Необходимо заметить, что над многими пиками на рис. III-4 стоят короткие чер-

точки, указывающие на более чем 7 степеней ненасыщенности. Фрагменты, для которых

отношение С/Н отражает более 7 степеней ненасыщенности, располагаются ниже деления,

соответствующего предыдущему по числу атомов углерода насыщенному соединению, т. е.

_ JH

-J; такие отношения С/Н отмечены вертикальной линией. Так, ряд Ъ располо-

жен на графике на 21 деление ниже, чем главные деления с правильным числом

атомов углерода, т. е. C

оО

; ряд с — на 9 делений ниже в соответствии с форму-

лой C

-SO*-

•в

>&.

•я

да/да

т/е

1/4

2/6

2/6-

3/8

3/8 -

4/10 -

4/Ю

5/12 -

5/12

—

6/14 -

6/14

•

7/16 -

7/16

8/18 -

8/18

9/20 -

9/20-

10/22

10/22-

11/24

12/26 -

12/26-

13/28

14/30

14/30-

---

15/32 -

15/32-

16/34

1/5

2/7

3/9

4/11

5/13

6/15

7/17

8/19

9/21

10/23

11/25

12/27

13/29

14/31

15/33

16/35

m/e

3/9 -

4(11

5/13

6/15

7/17

8/9 -

Э/21 -

Ю/23 -

11/25 -

12/27 -

13/29 -

-Q

14/31 -

15/33 •

16/35 -

17/37 -

2/6

3/8

4/Ю

5/12

6/14

7/16

8/18

9/20

10/22

11/24

12/26

13/28

14/30

15/32

16/34

•

17/36

•

1/4

2/6

3/8

4/10

5/12

6/14

9/20

Ю/22

11/24

12/26

13/28

14/30

ионы оставшихся разветвленных и циклических эфиров будут содержать на

одну группу GH

больше, чем исходные кислоты; однако рис. III-4, б по-

строен так, чтобы молекулярные ионы располагались там же, где и соответ-

ствующие им на рис. III-4, а. Так как ряд а удален, то на графике С/Н0

теперь виден ряд d. При сравнении распределения общих кислот и развет-

вленных и циклических эфиров видно также, что спектр фрагментов с ма-

лыми массами определяют в основном нормальные кислоты; молекулярные

ионы кислот ароматического ряда вносят намного большую долю в общую

ионизацию смеси.

Третий пример — основная фракция всего бензол-метанольного эк-

стракта из сланца Грин-Ривер [56]. Особенно интенсивные пики видны на

графике G/HN масс-спектра высокого разрешения (рис. III-5). Отметим,

что графики G/HN и С/Н0

очень похожи; причина этого в том, что найти

разницу между комбинациями С/Н0

и C/HN a priori трудно, так как они

различаются на величину, меньшую предела погрешности измерения масс,

обсуждавшегося ранее (табл. III-2). Поэтому компьютер откладывает на

графике обе комбинации вместе. Фрагменты, соответствующие G

N и C

N на графике G/HN могут отвечать молекулярным ионам

простых алкилпиридинов; на присутствие этой группы соединений указы-

вают также ионы фрагментов C

N, C

N и C

Пики фрагментов C

N, C

N, G

N, C

N и C

N указывают, по-видимому, на ряд алкилиндолов, а ряд

N, G

N, C

N и C

N может предста-

влять молекулярные ионы C

—С

-замещенных алкилхинолинов или изо-

хинолинов. Можно отметить также соответствующие этому ряду ионы фраг-

ментов с четными массами. В наибольших количествах, очевидно, присут-

ствуют G

, C

, С

-алкилхинолины (C

N, C

N и C

N).

В спектре выявляется и четвертый ряд (начинающийся с пика

N и содержащий C

N, C

и C

N), которому можно приписать структуру тетрагидрохинолинов

{от незамещенного до С

-замещенного); конечно, этому ряду могут отвечать

и другие типы соединений, например циклоалкилпиридины. Пики с четными

массами, например интенсивные пики C

N, C

N и C

N, явля-

ются возможно осколками. Могут присутствовать и алкилпирролы, тогда

пики C

N и C

N будут соответствовать алкилпиррольным молеку-

лярным ионам. Интерпретация остальных графиков основной фракции

трудна, так как надо рассматривать множество возможностей; одного масс-

спектра для уверенных выводов недостаточно.

Из приведенных примеров ясно, что масс-спектры высокого разрешени

очень удобны (по сравнению с другими физико-химическими методами)

для запрограммированной логической обработки, например с помощью

компьютеров, в особенности для коррелирования типов ионов и возможных

рядов фрагментов, так как это позволяет намного быстрее сверять найденное

распределение и возможности фрагментации, чем вручную (визуальным или

мысленным сопоставлением). Это уже нашло отражение в масс-спектро-

метрической литературе, причем наибольший интерес представляет выполнен-

ная тремя лабораториями работа по определению последовательности амино-

кислот в небольших пептидах с помощью запрограммированного компью-

тера [57—62]. Другие работы посвящены вопросам установления воз-

можных молекулярных ионов по распределению фрагментов [63].

Д. Использование масс-спектрометрии высокого разрешения

G тех пор, как Дж. Бейнон [64] доказал необходимость точного изме-

рения масс для определения элементов состава иона, несколько групп уче-

ных занялись разработкой и дальнейшим применением этого метода в орга-

нической, био- и геохимии. Можно указать на некоторые типичные работы

ведущих лабораторий: Э. Ледерер с коллегами [58] изучали последователь-

ность аминокислот; К. Биман с сотрудниками установили структуру пепти-

дов, индольных алкалоидов и антибиотиков [61, 62, 65, 66]; A. JI. Берлин-

гем с соавторами изучали сесквитерпенолы гальярдин [67]иуиддрол [68],

механизмы фотохимических процессов [69] и спектры алкалоидов Amaryllis

[26, 70, 71]; К. Дясерасси с сотрудниками исследовали сложный механизм

фрагментации [72]; Р. Сондерс и А. Виль-

яме [73] применили этот метод в химиче-

ской промышленности. П. Боммер и Ф.

Вейн [74] использовали спектры высокого

разрешения для идентификации метаболи-

тов лекарственных веществ в присутствии

примесей различного элементарного состава.

В органической геохимии первыми

применили описываемый метод Э. Карлсон

с соавторами [75], показавшие, что нор-

мальные углеводороды разделяются с наф-

теноароматическими с той же номинальной

массой (

C от H

), алкилбензолы — с

алкилбензтиофенами (

S от

, см.

табл. III-2). Они сообщили [75] также об

идентификации алкилтиофенов в неочищен- Рис. III-6. Масс-спектр иона

ном газойле (мультиплет с моноциклоалка-* с массой 195 при низком напря-

нами). Г. Лампкин [76] первым продемон-

жении

ионизации и высоком

' ^ ^ разрешении [76].

стрировал комбинированное использование

масс-спектрометрии высокого разрешения

и низковольтного способа ионизации для ана-

лиза сложной смеси. Возможности такого сочетания показаны на рис. III-6,

взятом из его статьи. При 8 эв появляется только молекулярный ион замещен-

ного карбазола с массой 195. Когда энергия бомбардировки возрастает

до 70 эв, появляются четыре пика, соответствующих серу-, кислород- и азот-

содержащим компонентам, а также углеводороду. В последующем работы

У. К. Мида, У. Л. Мида и К. Бауэна [77], а также Б. Джонсона и Т. Ачеля

[78] распространили метод высокого разрешения при низком напряжении

ионизации на детальный анализ сложных нефтяных фракций.

Э. Гальегос и его коллеги [42] провели групповой количественный

анализ 19 компонентов без предварительного хроматографического разде-

ления их на силикагеле; 7 насыщенных углеводородов (0—6 колец), 9 аро-

матических углеводородов (1—4 кольца) и 3 ароматических сернистых со-

единения. X. Драшел и А. Соммерс [79] описали анализ концентратов арома-

тических и сернистых соединений из высококипящих нефтяных фракций.

Э. Бейкер с соавторами [80] исследовали петропорфирины и определили

элементарный состав некоторых ионов в спектрах. У. Л. Мид и У. К. Рейд

[81] сообщили об анализе нефтяных парафинов с использованием иониза-

ции полем при высоком разрешении. В сочетании с низковольтной иониза-

цией при высоком разрешении этот способ мог бы дать ответ на многие во-

просы при анализе сложных смесей.

7 Заказ 1039

Е. Сочетание газовой хроматографии и масс-спектрометрии

Очень ценным является метод анализа геохимических проб, основанный

на присоединении газового хроматографа к масс-спектрометру (хромато-

масс-спектрометрия, газовая хроматография — масс-спектрометрия). Это

позволяет провести полный масс-спектрометрический анализ за время,

необходимое для снятия одной хроматограммы. Однородность каждого

хроматографического пика можно проверить получением полного масс-спектра

за время, в течение которого пик элюируется из колонки.

Все компоненты вводят непосредственно в масс-спектрометр, что по-

зволяет избежать выделения индивидуальных пиков — очень продолжи-

тельной стадии работы при раздельном использовании хроматографа и масс-

спектрометра. Значительно сокращается возможность загрязнения, всегда

опасного при выделении малых проб. Чувствительность масс-спектрометра

достаточна для анализа компонентов, содержащихся в виде следов (в нано-

граммовых количествах), которые трудно или даже невозможно выделить

обычными средствами. Такая высокая чувствительность позволяет исполь-

зовать для разделения смесей очень эффективные, но обладающие малой

емкостью капиллярные колонки. Наконец, хромато-масс-спектрометрия —

это идеальное средство для повседневного анализа сложных образцов,

дающее возможность эффективно использовать вычислительные машины для

качественной и количественной интерпретации данных.

Хроматографы можно присоединить непосредственно к масс-спектро-

метру так, чтобы весь выходящий из колонки поток попадал в зону ионного

источника. Такое присоединение практично для капиллярных колонок при

скорости газа-носителя 1—3 мл/мин. При использовании набивных колонок

между хроматографом и масс-спектрометром нужно устанавливать обога-

щающее устройство. Недавно предложены 4 таких устройства: «молекуляр-

ный сепаратор» Р. Райхеджа [82], оплавленная стеклянная трубка Дж. Уот-

сона и К. Бимана [83], полупроницаемая мембрана П. Ллевеллина [84]

и тефлоновая мембрана С. Р. Липски [85]; некоторые из них нашли уже

широкое применение. Эти сепараторы пропускают легкие молекулы газа-

носителя, и обогащенный нужным соединением газовый поток входит в ион-

ный источник спектрометра без особых потерь пробы и без ухудшения ка-

чества разделения. Сепаратор работает так же, как устройство для снижения

давления, поэтому в ионном источнике можно поддерживать давление 10"

мм

рт. ст. и менее.

Если хроматограф оборудован делителем потока, то часть газа, выходя-

щего из колонки, можно направить в ионизационный детектор для получе-

ния хроматограммы. Время от времени или постоянно в качестве детектора

можно использовать ионный усилитель масс-спектрометра, соединив его вы-

ход с самописцем. В лаборатории авторов используется двухперьевой само-

писец, регистрирующий одновременно две хроматограммы: от выходного

сигнала ионизационного детектора хроматографа и от ионного усилителя,

что дает возможность непосредственно проверять сходимость во времени

между хроматографом и масс-спектрометром и определять возможное ухуд-

шение разделения.

Для отдельного хроматографического пика, вымывающегося из колонки,

обычно снимают несколько полных масс-спектров (от трех до десяти). Для

этого необходимо очень быстрое сканирование масс (за время от 0,1 до не-

скольких секунд). В таких условиях точное определение массовых чисел

простым расчетом может оказаться затруднительным; тогда необходимо

одновременно записывать спектр какого-либо реперного соединения, испа-

ряя его из резервуара или используя метод Ф. Лиманса и Дж. Мак-Клоски

[86]. Последовательная съемка спектров с примесью и без примеси репера

может быть использована для устранения любых неопределенностей или не-

точностей в интерпретации спектра [20].

SOMUH

PHG. III-7. Капиллярная газо-жидкостная хроматограмма экстракта из сланца

Фиг-Три [95].

Первые попытки присоединить хроматограф к масс-спектрометру были

описаны еще в 1957 г. [87], и с тех пор этот метод широко используется

в ряде областей. Для детального ознакомления с техническими аспектами и

применениями этого метода можно рекомендовать несколько превосходных

обзорных статей [86, 88, 89].

L^jJ

100

IPI

S а

ю « £

т/е

200

250

Рис. III-8. Масс-спектр пристана (соединение а на рис. III-7), выделенного из сланца

Фиг-Три.

P — молекулярный ион выделенного пика (пристан).

Некоторые важные приложения этого метода к геохимическим пробле-

мам иллюстрируются разделением на капиллярной колонке и масс-спектро-

метрической идентификацией насыщенных углеводородов по C

включи-

тельно [90]. Та же группа исследователей проанализировала олефины

[91] углеводороды C

и C

; 16 углеводородов C

из нефти были

Оман

Рис. III-9. Газо-жидкостная хроматограмма экстракта из Меррейского

метеорита.

ICO

идентифицированы с помощью комбинации масс-спектрометра с циклоидаль-

ной фокусировкой (оборудованного фильтром Wien и ионным умножителем)

и капиллярного газового хроматографа [92]. Сочетание хроматографа с

время-пролетным масс-спектрометром использовалось в экспериментах

Э. Андерса с коллегами [93].

Опубликовано несколько интересных работ об использовании обогаща-

ющих устройств — сепараторов. Дж. Opo с соавторами [94] сообщили об

идентификации пристана и фитана в сланце Ганфлинт. Значимость данных,

получаемых при применении этого метода, видна из анализа результатов,

показанных на рис. III-7 и III-8. На рис. III-8 дан масс-спектр соединения а,

просканированный за время вымывания компонента из колонки. Этот спектр

можно четко идентифицировать как спектр пристана, изопреноида C

Дж. Эглинтон и его коллеги [96, 97] применили этот метод для анализа изо-

преноидных жирных кислот из экстрактов залежи Грин-Ривер. Очень важ-

ным вариантом метода является соединение хроматографии с масс-спектро-

метрией высокого разрешения [83, 98—101].

На рис. III-9 показаны результаты анализа органических компонентов

Меррейского метеорита, полученные лабораторией К. Бимана с помощью

хромато-масс-спектрометрии. Аналитическая методика включала пиролиз

пробы метеорита, конденсацию извлеченного органического вещества и вве-

дение конденсата в хромато-масс-спектрометр. Хроматограммы, приведен-

ные на рис. III-9, получены при нагреве образца в интервале температур,

°С: 25—146 (А), 146—254 (В) и 255—409 (Д, после смешения с цинковой

пылью); хроматограммы Б, Г ж E — при холостых опытах. Для каждого

пика сняты масс-спектры высокого разрешения; вертикальные линии на

хроматограммах указывают на последовательные переключения.

Конечный результат этой работы показан на элементарной карте пика

15 на хроматограмме В (рис. II1-9):

СН-алифатические CH-ароматические CHS CHO CHO

117 9/9 О****

118 9/10 О***

119 9/11 О *****

120 9/12 —1 ****

121 9/13 0 ****

122 9/14 0 ***

123 9/15 О******

124 9/16 0 *****

125 9/17 0 ******

126 9/18 О******

127 9/19 о*******

128 10/8 0 ****

129 10/9 —1 ***

131 10/11 0 ***

133 • 10/13 О*****

134 10/14 0 ***

135 10/15 О***

136 10/16 0 ***

137 10/17 0 *****

138 10/18 0 ****

139 10/19 0***** 11/7 О****

140 10/20 О*****

141 10/21 0****** 11/9 О******

142 11/10 1 *******

145 11/13 0 ***

147 11/15 0***** 9/7 0***

148 9/8 0 ***

149 11/17 О**

101