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Fragmentierung geradelektronischer Ionen

Problem:

• unterschiedliche Fragmentierungswege für geradelektronische Ionen [M+H]+, [M-H]- und Radikalionen [M]+•

• umfangreiche Kenntnisse über die Fragmentierung ungeradelektronischer Ionen [M]+• vorhanden

• bislang nur wenige systematische Untersuchungen zur Fragmentierung geradelektronischer Quasimolekülionen [M+H]+ und [M-H]-

Randbedingungen (stoßinduzierte Fragmentierung):

• niedrigere Anregungs-/Stoßenergien (wenige eV)

• längere Zeitskalen als bei EI-Fragmentierung (bis zu ca. 100 ms)

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ESI-MS/MS von [M + H]+, m/z 216

Zerfall des M+• und des [M + H]+ von Atrazin

HN

N N

HN N Cl

200 +•

- CH3•

M+•

100 120 140 160 180 200 220

104 122 132145

158

164

173

187

200

215

0

50

100

[M + H]+

- C3H6

174

216

100 120 140 160 180 200 220 m/z0

1000

2000

3000

4000

Intens.

EI-MS

ungeradelektronisches Ion

geradelektronisches Ion

H2N

N N

HN N Cl

+

174

H

+

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Energetische Betrachtungen (Bildungsenthalpien)

Annahmen:

• keine Abhängigkeit der Fragmentierung des [M+H]+ -Ions von der Ionisierungsmethode (z.B. ESI, CI, ...), sondern nur von seiner inneren Energie.

• Stoßfragmentierung erzeugt dieselben Fragmente wie unimolekularer Zerfall.

• Die Bildungsenthalpien der Produkte (Summe der Bildungsenthalpien von Ion und Neutralteilchen) bestimmen die Fragmentierung.

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Vergleich der Bildungsenthalpien (ΔHf298) ungeradelektronischer Molekülionen [M]+• und geradelektronischer Quasimolekülionen [M + H]+

[kJ/mol]

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Vergleich der Bildungsenthalpien (ΔHf298) von Neutralteilchen und korrespondierenden Radikalen

-36HBr

112 Br

-92HCl

122 Cl

-46NH3

172 NH2

-242H2O

39 OH

-75CH4

142CH3

Hf 298 (kJ/mol)Neutralteil

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Beispiel: ESI-MS/MS des [M+H]+ von Valin

72.3

118.1

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.05x10

Intens.

50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 m/z

46

H2N CH C

C

OH

O

H3C

CH3

H

10

2. Beispiel: MS/MS des [M+H]+ von Bromhexin:

C14H20Br2N2, M = 374

113

261

11

71

81

89

101

107113

119

125

131

143

149

161

179

0

100

200

300

400

500

Intens.

60 80 100 120 140 160 180 200m/z

3. Besipiel: ESI-MS/MS-Spektrum des [M-H]-

von Fructose (M = 180)OH

OH

OH

CH2OH

OH

HOH

H

H

H

18

18

18

18

303030

Δm = 30: CH2O

181818

Δm = 18: H2O

18

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2. Spaltung der β-C-C-Bindung mit Verbleib der Ladung am Heteroatom

Onium-Ionen

Fragmentierung geradelektronischer Ionen nach der „even-electron rule“:

m/z

rel. I

nt.

Beispiel: MS/MS des [M+H]+ von Propanolol, m/z 260

A.L. Upthagrove, M. Hackett, W.L. Nelson, Rapid Comm. Mass Spectrom. 13, 534-541 (1999)

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Fragmentierung muss nicht von der Stelle der lokalisierten Ladung ausgehen

„charge-remote“-Fragmentierung

Beispiel: MS/MS des [M+H]+ von Timolol

W.M.A. Niessen, J. Chromatogr. A 1217, 4061-4070 (2010)

186C13H24N4O3S

M = 316

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Außerdem: Fragmentierungen, die keinen einfachen Regeln gehorchen:

• H2O-Abspaltungen aus Ethern und Ketonen

• NH3-Abspaltungen aus sekundären und tertiären Aminen

• S-Abspaltungen aus Thioethern

• Gerüstumlagerungen

• ...

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Charakterisierung funktioneller Gruppen durch Neutralverluste aus [M + H]+- oder [M - H]--Ionen

---arom./aliph.-CH3

NH3aliph.

---arom.-NH2

H2Oaliph.

------arom.-OH

•NO / •NO2•NO / •NO2arom.-NO2

HBr / •BrHBr / •Brarom./aliph.-Br

HCl (•Cl)HCl (•Cl)arom./aliph.-Cl

SO2 (SO3)arom./aliph.-SO3H

CH3OHarom./aliph.-COOCH3

COarom.-CH=O

CO2H2Oarom./aliph.-COOH

[M - H]-[M + H]+Funktionelle Gruppe

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Dominierende Neutralverluste aus [M + H]+- oder [M - H]- -Ionenvon Verbindungen mit zwei und drei funktionellen Gruppen

HCl (• Cl)HCl (• Cl)-OH, -NH2, CH=O, -CH3

-Cl

• NO / • NO2-OH, -NH2, -CH=O, -CH3

-NO2

SO2 / SO3-OH, -NH2, NO2-SO3H

CO2-OH, -NH2, -NO2, -Cl, CH3O-, -CH3

-COOH

dominierend bei [M - H]-

dominierendbei [M + H]+

Zweite/dritte Gruppe

Erste Gruppe

Faustregel:Die am stärksten polare funktionelle Gruppe dominiert das Fragmentierungsverhalten.

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• Zerfall von [M + H]+- oder [M - H]--Ionen organischer Verbindungenvorwiegend unter Abspaltung kleiner neutraler Moleküle (wenigerhäufig neutraler Radikale).

• Identifizierung funktioneller Gruppen hierüber oft (nicht immer!) möglich

• charakteristische Neutralverluste: zeigen recht eindeutig einefunktionelle Gruppe an, treten aber bei mehreren Verbindungsklassenauf (z.B. Verlust von H2O aus Säuren, Verlust von CO aus Aldehyden).

• spezifische Neutralverluste: treten nur bei einer bestimmtenfunktionellen Gruppe auf (z.B. CO2, CH3OH, SO2, HCl, NO2.);

hiermit zuverlässige Erkennung einer Gruppe möglich

Charakterisierung funktioneller Gruppen durch Neutralverluste aus [M + H]+- oder [M - H]--Ionen

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2. Kinetische Gründe: Radikal-Abspaltung ist schneller als die Abspaltung eines Neutralteilchens

Beispiel: MS/MS des [M+H]+ von Prodigiosin, m/z 324:

C20H25N3O

M = 323

32

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Abweichungen von der „even-electron-rule“:

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Fragmente von m/z 324:

K. Chen, N.S. Rannulu, Y. Cai, P. Lane, A.L. Liebl, B.B. Rees, C. Corre, G.L. Challis, R.B. Cole, J. Am. Soc. Mass Spectrom. 19, 1856–1866 (2008)

+227 kJ/mol

+122 kJ/mol

Radikalischer Fragmentierungsweg ist thermodynamisch ungünstig, aber offenbar erheblich schneller!

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Zusammenfassung:

• Unterschiedliche Fragmentierungswege bei geradelektronischen [M+H]+

bzw. [M-H]- und ungeradelektronischen [M]+• Ionen

• Fragmentierung vorwiegend unter Verlust neutraler Moleküle und Bildung geradelektronischer Fragmentionen („even electron rule“)

• Ausnahmen v.a. bei kleinen aromatischen Ionen (Verlust neutralerRadikale); Ausnahmen erklärbar auf der Basis thermochemischerDaten, z.T. über kinetische Überlegungen

• Neutralverluste aus [M+H]+ und [M-H]- -Ionen erlauben oft, aber nichtimmer die Identifikation von Substituenten.

• Aber: Stoßinduzierte Fragmente allein erlauben i.a. keine zweifelsfreieStrukturaufklärung unbekannter Verbindungen. Hochaufgelöste MS-Daten und insbesondere NMR-Daten notwendig!

Detaillierte Betrachtung:K. Levsen et al., J. Mass Spectrom. 42, 1024-1044 (2007)M. Holčapek, R. Jirásko, M. Lísa, J. Chromatogr. A 1217, 3908-3921 (2010)