Физико-химические методы исследования Масс- спектрометрия

Физико-химические методы исследования

Масс- спектрометрия

Радиоуглеродный метод датирования период полураспада C-14 5 700 лет

Масс-спектрометрия – метод исследования и анализа веществ, в основе которого лежит ионизация молекул Ионы разгоняются в электростатическом поле и затем разделяются на отдельные лучи, ионы в которых различаются по величине их массы (точнее отношения массы (m) к заряду иона (z) - m/z).

Молекула ионизация Молекулярный ион М+ • (или М– • ) электростатическое поле Осколочные ионы (катионы и катион- вторичная радикалы) + фрагментация нейтральные частицы вторичные (радикалы и молекулы) осколочные ионы, нейтральные частицы (радикалы и молекулы)

Образующийся в результате потери одного электрона катион-радикал называется молекулярным ионом

Молекулярный ион дает информацию массе молекулы 1) имеет самую большую массу (m/z) в спектре. 2) быть нечетноэлектронным. 3) быть способным образовывать важнейшие фрагментные ионы с большой массой за счет выброса реальных нейтральных частиц. 4) включать все элементы, наличие которых можно увидеть по фрагментным ионам.

Фрагментация – распад молекулярного иона на частицы меньшей массы Фрагментация молекулярного иона приводит: 1)к образованию других ион-радикалов 2)к образованию нейтральных молекул 3) к внутримолекулярным перегруппировкам

Чаще всего масс-спектрометрия используется для: определение исследование строения молекулярной массы молекулы идентификация распад молекулярного иона и анализ иона образующихся фрагментов

Интерпретация масс-спектров • Молекулярный ион М+ • отвечает максимальному массовому числу. • Молекулярный ион в спектре отсутствует, если в масс-спектре наблюдаются интенсивные пики, отличающиеся от сигнала с максимальным массовым числом на 4 – 14 или 21 – 25 а. е. м. Азотное правило Молекулярный ион отвечает четному массовому числу , если в соединении четное число атомов азота. При нечетном числе атомов азота массовое число молекулярного иона нечетное.

В насыщенных углеводородных цепях преимущественно разрываются связи в местах разветвлений.

Относительная интенсивность пика молекулярного иона максимальна для неразветвленных соединений и уменьшается по мере увеличения разветвленности. Масс-спектр гексана Масс-спектр 2, 3 - (молекулярный ион 86) диметилбутана (молекулярный ион 86)

• Видеофильм

Или масс-спектроскопия?

Ядерный магнитный резонанс ЯМР

1952 физика НОБЕЛЕВСКИЕ 1991 химия ПРЕМИИ 2002 химия 2003 медицина

Открытие ЯМР имеет весьма длинную и интересную предысторию. Представления о том, что электрон и атомные ядра имеют собственные магнитные моменты, было введено в физику В. Паули (Нобелевская премия по физике 1945 года). Явление ядерного магнитного резонанса (ЯМР), открытое в 1945 г. Ф. Блохом и Э. Парселлом (Нобелевская премия по физике, 1952 г. ) легло в создание нового вида спектроскопии, являющегося сегодня одним из самых информативных методов исследования структуры, динамических превращений молекул, механизмов химических реакций и количественного анализа веществ. Простота приготовления образцов, быстрота исследования и высокая информативность спектров ЯМР сделали этот вид спектроскопии одним из наиболее важных экспресс-методов анализа органических соединений.

Важнейшие области применения: 1. Изучение строения и свойств органических соединений 2. Определение структуры биомакромолекул 3. Изучение динамических свойств биомолекул 4. Изучение белок-лигандных взаимодействий (ЯМР- скрининг биологически активных соединений) 5. Мониторинг состава биологических жидкостей (метабономика) 6. Визуализация объектов живой и неживой природы (ЯМР-томография) 7. Мониторинг процессов, происходящих в живом организме (in-vivo спектроскопия) 8. Исследование функциональной активности мозга (f- MRI)

Спектроскопия ЯМР регистрирует переходы между магнитными энергетическими уровнями атомных ядер, вызываемые радиочастотным излучением

Каждый атом имеет : • М- массовое число • Z- заряд • μ– магнитный момент. Не имеют магнитных моментов (μ = 0) только такие ядра, у которых М и Z - четные. В их состав входит четное число протонов и нейтронов ( 12 С, 16 О, 2 8 Si , 3 2 S ). Эти ядра нельзя исследовать методом ЯМР. Все другие ядра (118 стабильных изотопов 107 известных химических элементов Периодической системы) имеют магнитные моменты, и для них можно наблюдать ЯМР. Эти магнитные ядра различаются по величине магнитных моментов и по значению ядерного спина J

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА АТОМНЫХ ЯДЕР У ядер с нечетным массовым числом М J = 1/2 , 3/2, 5/2… полуцелый спин Ядра с четным массовым числом М но с нечетным зарядовым числом Z обладают целочисленным спином J = 1, 2, 3, …. У ядер с четным массовым числом М и с четным зарядовым числом Z J = 0 и магнитные свойства НЕ проявляются

J = 1/2 1 H, 13 С , 19 F, 31 P 99 % ядер углерода в природе составляют ядра 12 С со спином J = 0

Образование уровней энергии ядра при наложении внешнего магнитного поля Н 0 Эксперимент ЯМР состоит в том, чтобы сообщить энергию ядру и перевести его с одного энергетического уровня на другой, более высокий энергетический уровень

Образец помещают в постоянное магнитное поле и прикладывают второе ( переменное поле) для регистрации явления резонанса: поглощения ядром энергии, равной ∆Е Значение ΔЕ зависит от молекулярного окружения возбуждаемого ядра, потому имеется возможность связать величину ΔЕ со строением молекулы и в конечном итоге определить структуру всей молекулы

Для анализа необходимо ~ 2 -5 мг образца Для проведения анализа используются дейтерированные растворители: хлороформ CDCl 3 метанол CD 3 OD вода D 2 O пиридин C 6 D 5 N ацетон CH 3 COCH 3 Эталон – тетраметилсилан Si(CH 3) 4

Параметры спектра ЯМР 1. Интенсивность (интеграл)- площадь под максимумом поглощения Площади резонансных сигналов соотносятся как числа равноценных ядер.

. • Видеофильм ЯМР ч. 1

Параметры спектра ЯМР 2. Химический сдвиг Значение частоты резонансного сигнала зависит не только от природы ядер и приложенного магнитного поля , но и от химического окружения данного атома Химический сдвиг – разница между резонансной частотой ядра в данном химическом окружении и резонансной частотой стандартного вещества (ТМС) ∆ν = ν – νст.

Химический сдвиг ∆ν зависит от рабочей частоты спектрометра, т. е. от величины напряженности магнитного поля В 0. Для того, чтобы величина химического сдвига не зависела от типа спектрометра его выражают в виде отношения:

Для ядер со спиновым квантовым числом J = ½ мультиплетность сигнала равна n + 1, где n – число ядер в соседней группе.

СH 2 Cl-CHCl 2

Основные характеристики ЯМР • Количество сигналов – количество неэквивалентных ядер данного типа • Положение сигналов (хим. сдвиг) – распределение электронной плотности • Форма сигналов s, d, t (спин-спиновое расщепление) – тип и кол-во соседних ядер, давших сигнал • Площадь сигналов (интеграл) – кол-во эквивалентных ядер, давших сигнал

Спектр ЯМР белка