Tandem-Massenspektrometrie — Grundlagen und Applikationen

Zeitschrift f iir Chemie 30. Jahrgang . Mai * 1990 Heft 6 - ISSN 0044-2402

Herausgeber : Im Auftrag der Chemischen Gesellschaft der Deutschen Demokratischen Republik Prof. Dr. Helga Dunken, Prof. Dr. Dr. h. c. Lothar Kolditz, Prof. Dr. Dr. h. c. Roland Mayer Unter Mitarbeit von Prof. Dr. Dr. h. c. mult. H.-H. Emons, Prof. Dr. R. Geyer, Prof. Dr. E. Hofmann, Prof. Dr. H.-A. Lehmenn, Prof. Dr. Dr. Dr. h. c. mult. S. Rapoport, Prof. Dr. Dr. h.c. H. Sackmann, Prof. Dr. W. Schroth, Prof. Dr. M. Schulz, Prof. Dr. K. Schwetlick und Prof. Dr. G. Werner

Tandem-Massenspektrometrie - Grundlagen und Applikationen

Joachini Stach*), Nonika Moder, Rainer Herzschuh

Karl-Marx-Universit~t Leipzig, Sektion Chcmie, TalstraDe 35, Leipzig, DDR-7010

Summary The fragmentation of metastable and collisionnlly activated ions as well as different experimental techniques which can be usedto record daughter, parent and neutral loss spectra are discussed i n the first part of this review. Advanced M S I M S methods are represented by the Neutralization Reionisation Mass Spectrometry ( N R M S ) which allows the characterization of neutral species and the angular resolu- tion of the ion beam emerging from a collision cell, lending to Angle Resolved Mass Spectrometry ( A R M S ) . Typical applications of the tandem mass spectrometry are given by the determination of ion structures, the gas phase reactions of ions a d the analysis of compounds in complex mixtures.

Einleitung Zerfallsreaktioncn von Ionen, die in Massenspektrometern auWer- halb der Ionenquelle erfolgen, bilden den Untersuchungsgegen- stand der Tandem-Massenspektrometrie. Die Kenntnis dieser Pro- zesse reicht bis in die Anfange der Massenspektrometrie zuruck.

*) Korrespondenzautor

Bereits Thomson und Aston [l, 21 beobachteten in den von ihnen registrierten Spektren zusatzliche Signale, die aus dem Zerfall von Ionen in der Analysatorregion resultierten. Aus heutiger Sicht wurden diese Fragmentierungen uberwiegend durch Hoch- energiestone mit Restgas-Molekulen hervorgerufen. Jahre spater, nach Verbesserungen des Vakuumsystems, konnten Hipple, Fox und Condon [3] breite, zumeist wenig intensive Signale meta- stabilen Ionen zuordnen, die nach der Beschleunigung noch vor dem Magnetfeldsektor zerfallen und bei m = mi/m, im Spektrum abgebildet werden. Die Signale metastabiler Ionen wurden zu. nachst zum Nachweis von Fragmentierungsreitionen [4] und zur Ermittlung der bei diesen unimolekularen Reaktionen frei- gesetzten Translationsenergie genutzt [ 5 ] . Erste Anwendungen von MS/MS-Techniken unter Ausnutzung von Zerfallsreaktionen metastabiler Ionen kennzeichnen bereits typische Einsatzgebiete : Die Unterscheidung isomerer Verbindungen [C;] und die Analytik komplexer Gemische [7, 81. Weitere E'ortschritte brachte die Aus- nutzung der von Aston und Thompson beobachteten StoBprozesse - Collisionally Activated @sociation, CAD) [9-191.

IONENPUELLE MS I REAKTIONSRAUM MS I1 DE TEKTION

Massenselektion lonent rennung

pos i t ive / negative Ionen

El, CI, FD, FAB, PD U . O .

StoO- und

P h o t o ( h v k p r o z e s s e

Neutralisotions-Reioni-

so t ions -Exper imente

Ion -Molekul- Reoktionen

Bild 1 Die Abkurzungen fur Ionisierungstechniken stehen fur: ElektronenstoSionisation (EI), Chemische Ionisation (CI), Feld-Desorption (FD), Fast Atom Bombardment (FAB) und Pla.sma Desorption (PD)

MS/MS-Experiment zur Aufnahme von Tochterionen-Spektren.

157 Z. CRem., 90. J s - (lSS0) Heft 5 U

Heute gehort die Tandem-Massenspektrometrie zum festen Reper- toire massenspektrometrischer Untersuchungstechnikcn. Spektro- meter mit mindestens zwei Analysatoren sind zur Realisierung der Experimente erforderlich. Eines der einfmhsten MS/MS- Experimente gibt Bild 1 wieder. Aus der Vielzahl der in der Ionen- quelle erzeugten Ionen werden z.B. Molekiilionen mit Hilfe des ersten Analysators (MS I) selektiert. Im feldfreien Raum zwischen MS I und MS I1 konnen durch unimolekulare Zerfallsreaktionen metastabiler Ionen oder durch Stofinktivierung Fragmentionen entstehen. Diese aus dem Elternion hervorgehenden Tochterionen werden im MS I1 getrennt und schlieBlich detelrtiert.

m t ~ -.m,+ + m, (1) (Elternion) (Tochterion) (Neutralteilclien)

Umgekehrt gelingt es auch, durch geeignete Selektions- und Trenn- operationen der MS-Analysatoren Elternionen, die zu einem ge- meinsamen Tochterion zerfallen, zu registrieren. Ebenso ist der Nachweis aller unter Verlust des gleichen Neutralteilchens frag- mentierenden Ionen moglich [s. GI. (l)]. Die Tandem-Massen- spektrometrie ist eine auBerst vielseitige Methode. Dies betrifft nicht nur die an die Geratekonfiguration gebundenen Aufnahme- techniken fur die Tochter-, Eltern- und Neutralteilchenverlust- Spektren. Sie ist beinahe ohne Einschrankungen in Kombinatioii mit den ;erschiedensten Ionisierungstechniken snwendbar. Viel- faltige Prozesse, eine Zusammenstellung enthalt Bild 1, konnen beobachtet werden [LO]. Der Tandem-Massenspektrometric nwrden bisher zahlreiche Uber- sichtsarbeiten und Monographien gewidmet. Eine Auswahl geben die Zitate r2l-331. Die umfassende Darstellung der Methode ist im vorgegebenen Rahmen kaum moglich. Nachfolgend sollen deshalb nach der Darstellung wichtiger experimenteller Grund- lagen einige Anwendungsmoglichkeiten der Tandem-Massen- spektrometrie aufgezeigt werden.

1. Gasphasenprozesse im Illassenspektronieter 1.1. Unimolekulare Fragmentierungsreaktionen

Ausgangspunkt fur die im Massenspektrometer ablaufenden Gas- phasenreaktionen sind Anregungs- und Ionisierungsprozesse. Bei der standardmafiig eingesetzten Elektronenstofiionisation (70 eV) entstehen Molekulionen mit unterschiedlicher innerer Energie. Fur einen Teil der Molekiile ist die iibertragene Energie groBer als die fur den ZerfallsprozeB notwendige Aktivierungsenergie. Uberschreitet diese Energie die Aktivierungsbarriere um einen bestimmten Betrag, sind die Zerfallsprozesse sehr schnell. Die Ionen fragmentieren in der Ionenquelle. Die entstehenden Frag- mentionen werden registriert. Molekulionen mit geringer Uber- schunenergie fragmentieren nicht. Sie werden, bezogen auf die Zeitskala des MS-Experimentes, als stabile Ionen bezeichnet und im Massenspektrum a19 Molekiilion abgebildet. Die innere Energie metastabiler Ionen liegt etwas oberhalb der Aktivierungsenergie fur cine unimolekularc Zerfallsreaktion, reicht jedoch nicht aus,um eine Fragmentierung in der lonenquelle zu bewirken. Metastn- bile Ionen zerfallen wahrend des Fluges durch das Spektrometer. Erfolgt der Zerfall in den sogenannten feldfreien Raumen (FFR), konnen sic im Ma,ssenspektrum beobachtet werden. D a Energie- profil einer unimolekularen Zerfallsreaktion zeigt Bild 2 [21].

1.2. StoJinduzierte Fragmenlierungen

Metastabile Ionen reprasentieren nur einen geringeii Teil der insgesamt erzeugten Ionen. Durrh StoBprozesse konnen jedoch stabile Ionen in den FFR des Spektrometers zur Fragmentierung angeregt werden [3, 32, 331. Als StoBgas, das in Kollisionszellen, die sich in den feldfreien Raumen des Spektrometers befinden, eingelassen wird, werden Edelgase, aber auch Nz, O,, H, u.a. verwendet. Energetisch wird zwischen Hoch- und Niederenergie- stoDen unterschieden. Erstere konnen aufgrund der hohen Be- schleunigungsspannung und damit hohen Translationsenergie der

E

A k , IAB)

Reoktionskoardinate

Bild 2 IP = Ionisierungspotential, AP = Auftrittspotential, 4, E; = Aktivierungsenergie fur die Hin- und Ruckreaktion, E = Uber- schubenergie, T = freigesetzte kinetische Energie

Ionen (> 1 KeV) in Sektorfeldgedten beobachtet werden. Nie- derenergiestoBe rnit Kollisionsenergien zwischen 10 eV und 100 eV bilden die Grundlage von CAD-Prozessen in Quadrupol- oder in entsprechenden StoBzellen in Hybrid-Massenspektro- metern. StoBen Ionen hoher Translationsenergie auf neutrale Atome oder Molekule, wird ein Teil dieser Translationsenergie bei cinem unelastischen StoB in Anregungsenergie des lons umgewandelt . Fur ein 10KeV Ion rnit der Masse 100 betragt die Zeit fur den StoB s (Wechselwirkungsabstand 1 nm). Mit Ausnahme sehr sclineller Bindungsbruche, die nach einer Schwingungsperiode, d.h. nach l O - I 4 s erfolgen, sind Ion und Target wohl separiert. Damit kann der CAD-ProzeB unter diesen Bedingungen in zwei Teilschritte [Gin. (P), (3)] zerlegt werden: in die elektronische An- regung und die nach Konvertierung der Anregungsenergie in Schwingungsencrgie erfolgende exotherme, unimolekulare Dis- soziation [3d].

Energieprofil einer unimolekularen Zerfallsreaktion;

ABf 4- M + ABf* + 1cI A B t * + A+ + B.

(4 (3)

Die bcim StofJprozeB induzierte Anregungsenergie ist selbst fiir 10-KeV-Ionen nocb geringer als die beim EIcktronenstoB ubertragcne [32, 3-1-36]. Das Energieprofil einer durch StoB- aktivierung ausgelosten Fragmentierung zeigt Bild 8. E , bezeichnet die innere Energie des untersuchten Ions, die von seiner Vorgeschichte, d. h. der Ionisierung [13,37-401 bzw. dem Precur- sor-Ion, aus dem es hervorgeht [41,43], abhangt. Damit kann vor allem bei Reaktionen mit niedriger Aktivierungsenergie die Haufigkeit von Fragmentionen schwanken, obwohl Precursor- Ionen einer identischen Struktur vorliegen [13, 38, 411. Q bezeichnet im Bild 3 die in innere Energie konvertierte Translationsener- gie [43], die experimentell bestimmt werden kann. In Analogie zur Dissoziation metastabiler Ionen wird ein Teil der UberschuBener- gie E und der Aktivierungsenergie fur die RiickretLktion als kinetische Energie T abgegeben. Der durchschnittliche Betrag von T ist ebenso wie fur metastabile Ionen uber die Peakbreite entsprechender Fragmentionen zuganglich [21,44,45]. Die durch StoBaktivierung induzierten Fragmentierungsreaktio- nen sind durch die Ahnlichkeit der Anregungsmechanismen iden- tiscli mit den durch ElektronenstoB erzeugten “21, 461. Der Zer- fall stoWaktivierter Ionen kann mit der Quasigleichgewichts- Theorie [47, 481 beschrieben werden.

158

E

Reaktionskoordinate

Bild 3 Energieprofil einer durch StoBaktivierung hervorgeru- fenen Fragmentierung ; EA = Anregungsenergie des Ions vor dcm StoB, Q = Betrag der in innere Energie umgewandelten Translationsenergie, E,, E f = Aktivierungsenergie fur die Hin- und Ruckreaktion, E = uber- schuBenergie, T = freigesetzte Translationsenergie

Neben StoBaktivierung und Dissoziation werden durch das StoO- gas weitere Prozesse induziert, die nachfolgend durch die Gln. (4)- (7) vorgestellt werden.

a) Streuung

rn? + M --t mLf (gestreut) + If b) Ladungsaustausch

m:+M+m,+M+

c) Bilduny doppelt yelndener Ionen (charge stripping)

ml+ + it1 + m f + +- M + e

m: -+ M -+ m y + MZ+

(6 1

( 7 )

d) Ladungsunakehr

Die Cln. ( 2 ) , (3) und (4)-(7) stellen Konkurrenzreaktionen dar und fiihren zu einer Intensitatsabnahme des Primarionenstrahls. Giinstige Bedingungen fur CAD-Prozesse, d. h. eine maximale Aus- beute an Fragmentionen, werden bei einer moglichst hohen Trans- lationsenergie der selektierten Ionen, einem optimslcn StoBgas- druck und einer hohen Transmission dcr erzeugten Fragmentionen erreicht. Als StoBgas weist Helium die besten Eigenschaften aus, da Streuung und Ladungsaustausch eine untergeordnete Rolle spielen [32, 491. Die durch Niederenergiest,oBe induzierten CAD-Prozesse weisen gegenuber durch HochenergiestoBe verursachten einige Beson- derheiten auf. Diese betreffen die Anregungsprozesse, damit auch die Pragmentierungsreaktionen und die technische Realisierung der Experimente [21, 601. Bedingt durch die niedrigen Beschleu- iiigungssprtnnungen in Quadrupolmassenspektromettlrn, ist die Lebensdauer der untersuchten Primarionen wesentlich groBer als in Sektorfeldgeraten. Sie liegt im Millisekundcnbereich (im Vergleich zu 10-20 ys). Damit vergrolkrt sich auch die Zeit, die fur die Wechselwirkung zwischen Ion und StoBgas-Atom oder Molekul zur Verfugung steht, was hderungen im Anregungs- mechanismus hervorruft. NiederenergicstoRe bewirken im Ver- gleich zuHochenergiestoBen eine vprstarkte Schwingungsanregung. Daher sind durchaus Unterschiede im FragmentierungsverhiLlten zu erwartcn [SO, 511.

Die CAD-Experimente in Quadrupol oder in entsprechenden feldfreien Raumen von Hybrid-Massenspektrometern (s. Abschn. 2.3.) werdcn in ,,rf-only"-Quadrupolen realisiert, die High-pass- Massenfilter darstellen. Sie bewirken eine Pokussierung auch der mit groBem Streuwinkel gebildeten Fragmentionen.

2. Instrumenteller Autbau

2.1. Ionisierungstechniken

In Verbindung mit MS/MS-Experimenten konnen alle fur ein be- stimmtes stoffliches Problem geeigneten Ionisierungstechnilcen Anwendung finden. Einzige Voraussetzung ist, daB Ionen uber einen bestimmten Zeitraum kontinuierlich und mit ausreichender Intensitat erzeugt werden konnen [52]. Durch Umpolung entsprechender Geratespannungen ist der Nachweis von Ionen mit positiver und negativer Ladung moglich. Neben der Elektronen- stoBionisation (EI) sind in den letzten Jahren ,,weiche" Ioni- sierungstechniken, wie die chemische Ionisation (CI) [53], die Felddesorption (FD) [54] oder das Fast-Atom-Bombardment (FAB) [55], in den Vordergrund getreten. Letztere ermoglichen die Ionisierung nicht verdampfbarer, thermisch labiler, auch hohcr- molekularer Verbindungen (z. B. biologisch relevante Verbindun- gen, wie Peptide) 156, 671.

2.2. Die Analysntorreyion

In Tandem-Massenspektrometern kommen hauptsachlich Magnet- feldsektoren, elektrische Feldsektoren und Quadrupole zum Ein- satz.l) Wahrend unter Wirkung des Magnetfeldes (B) Ionen nach ihrcm Impuls (m - w) getrennt werden, erfolgt die Ionentrennung im elektrischen Feld (E) entsprechend ihrer kinetischen Energie

(+ mu2). Quadrupole sind demgegenuber Massenfilter. Entspre-

chend GI. (8) sind die Durchtrittsbedingungen fur ein Ion der

I O ' I O I i n - r i

Q l Q, Q3

Bild 4 Experimenteller Aufbau von Tandem-~~assenspektro- metern

I ) MS-MS-Expcrirnente konnen ebenfalls mit der Ionen-Cyclo- tron-RcsonanL [Xi] durchgefuhrt werden. Auch in Flugzeit- massenspektrometern sind durch die Einfuhrung weiterer Ana- lysatorcn ~IS/blS-Untersuchnngen moglich L59].

2. Chern., 30. J g . (1990) Heft 5 0 I59

Maesc m durch einen Quadrupol abhangig von der Amplitude V Tabelle 1 MSiMS-Scan Techniken")

des angelegten Hochfrequenzfrldcs, dessen Frequenz f und des Peldriidius ro. Neben dcr 1,eistungsfabigkeit der Analysatoren hinsichtlich Mas- smbereichs, Auflosung, Transmission usw. [GO] sind im Hinblick auf die Verwendung von RlS/MS-Techuiken vor allem die Anord- nung der Analysatoren und ihre Anzahl von Bedeutung. Zahl- reiche Konfigurationen sind bekitnnt nnd kommerziell verfiigbar. Eine Auswahl zeigt Bild 4 [Gl, 621. In hochauflosenden Massen- spektrometern niit normaler Nier-Johnson-Geometrie (Bild 4, a,) konnen Gasphasenprozesse im ersten feldfreien Raum analysiert werden. Eine Ausdehnung der Experimente auf den zweiten frldfreien Raum ist in Spektrometern mit umgekehrter Nier- Johnson-Geometrie (Bild 4, 6) moglich (9. auch Bild 1). Die Er- weiterung des Systems urn einen dritten Analysator (Geometrien Bild 4, c, d ) ha.t vor allem den Vorteil, daB hochaufgeloste Ionen durch die BE- oder EB-Einheit des Spektrometers fur das MS/MS- Experiment selektiert werden kiinnen. Bild 4, e zeigt eine BEBE- Anordnung der Analysatoren, die ebenso wie die EBEB-Konfi- guration die Drtekt,ion hochsufgeloster Tochterionen zulaBt. In Hybridmassenspektrometern ( z . B. Bild 4 , f ) sind Feldsektoren rnit Quadrupolen kombiniert. Die StoBzelle im dritten feldfreien Raum wird durch einen Stonquadrupol (rf-only-Quadrupol) gebildet. Durch diesc Anordnung konnen sowohl Hochenergie- a h auch Niederenergieprozesse verfolgt werden (s. Abschn. 1). Ein Triple-Quadrupol-Spektrometer ist schlieDlich im Bild 4, g dar- gestellt. Der zweite Quadrupol ist als StoBquadrupol ausgelegt. Ein entsprechendes Sprktrometer ermoglicht im ersten und zweiten Analysator eine Artflosung nach Nominalmassen. Es wcrden aussehlieBlich Niederenergieprozesse verfolgt.

2.3. NS/MS-Techniken

Eine unimolekulare Zerfallsreaktion gemail3 G1. ( I ) enthiilt drei Variable. Durch Wirkung dcs Massenerhsltungssatzes

m, = W t 2 + m, betragt die Anzahl dcr Frriheitsgrade zwei, d.h., fixiert man zwei Variable, ist die dritte ebenfalls determiniert. Experimente dieser Art werden als ,,Reaction monitoring" bezeichnet. Wird nur eine der Variablen festgelegt, werden Tochterionen-, Elternionen- und Neutralteilchenverluat-Spektren registriert [63]. Die ver- bleibende Rloglichkeit besteht darin, keine der Variablen zu fixiercn. Die Beziehung zwischen m1 und m2 wird dann durch einen beliehigen funktionellen Zusammenhang nz, = f(m,) ,,functional relationship scan" [64, 661 beschrieben. Tab. 1 fal3t die grund- satzlichen Moglichkeiten zusammen. Die technische Realisierung von MSIMS-Experimenten und z.T. die ableitbaren Informationen sind vom Typ der verwendeten

(9)

Tabelle 2 MS/MS-Techniken fur Sektorfeld-Massenspektrometer

Bezeichnung Reaktion Symbol MS I RfS I1

i Reaction monitoring m t +m,+ + m3

0

Tochterionen-Scan ml+ -+ f r n z + m3 0 0 0

0 0 0

0

Elternionen-Scan ??n$ +m,+. + m 3 w

Neutralteilchenverlust- Scan

t m? --f t rn: + m3 - 0 0 0

Functional-relationship- Scan

t rn: + t rnz + t m3

0

a) Symbole: 1' variabler Analysator (MS I, MS 11); 0 Teilchen, variabel; Teilchen, fixiert; + definierte Masseniinderung

Analysatoren, ihrer Anordnung und der Auslegting der feldfrcien Riiume abhiingig. Uberschaubar gestalten sich die Verhaltnisse in Triple- Quadrupol-Spektrometern. Zur Aufnahme von Tochter- ionen-Spektren wird in Analogie zu Bild 1 das gewahltc Elternion mit dem ersten Analysatorquadrupol selektiert. Die im StoBquadru- pol erzeugten Tochterionen werden rnit dem zweiten Analysator- quadrupol getrennt. Sollen zu einem Tochterion die Elternionen nachgewiesen werden, wird der zweite Analysatorquadrupol auf das Tochterion fest eingestcllt. Der erste Analysator wird iiber den vorgegebenen Massenbereich variiert. Fragmentiert eirl Elternion im Reaktionsraum unter Bildung des entsprechendcn Tochterions, wird dies durch den zweiten Analysatorquadrupol separiert, an Stelle des Elternions registriert und im Spektrum abgebildet. Zur Aufnahme von Neutralteilchenverlust-Spektren werden der erste und der zweite Analysator mit einer durch das Neutralteilchen vorgegebenen Massendifferenz uber dell gewahlten Massenbereich variiert. Die Aufnahme von Toch- ter-, Eltern- und Neutralteilchenverlust-Spektren rnit Sektorfeld- Geraten erfolgt grundsatzlich auf die gleiche Art und Weise. Allcr- dings stehen in entsprechenden Spektrometern meist mehrrre feldfreie Raume zur Verfugung (s. Bild 4), um metastabilc bzw. stoainduzierte Fragmentierungen ZLI verfolgen. Durch die wir-

~ ___ ___ ~~

Scan-Gesetze Konfiguration Gemessene Ionen Auf losung konst . variabel

V, E

E, B

v, B VIIP, u BIE, V Bz/E', f7

B2/E, V B2( 1 -E')E'2 B2E, V

CB, ECB

CEB, CBE

BCE CEB CEB, BCE ECB BCE ECB, BCE BCE

m+ = mitrn, -

V 2 P l = m1Im2 + Tochterionen, m,f - W E , = W m n Tochterionen 3. Tochterionen + Elternionen - Eltornionen + alle m,+(m,+) mit ma-Verlust + Elternionen

Elternionen m t

-

-

Y Beschleunigungsspann~ing; e Elektrische Feldstarkc; B Magnetfeldstarke; C Kollisionszelle (oder feldfreier Raum); E' m,/m,

160 2. Chem , 30. Jg. (1990) Heit 5

kenden GesetzmaDigkeiten zur Ionentrennung (8. Abschn. 2.2.) ergeben sich teilweise komplizierte Scan-Gesetze, die in Tab. 2 naher vorgestellt werden. Uberwiegend handelt es sich dabei um sogenannte Linked-scans [66-681, die durch eine simultane Varia- tion des elektrostatischen und magnetischen Feldsektors, auch unter Einbeziehung der Beschleunigungsspannung, gekennzeich- net sind. Die erfolgreiche Anwendung der Linked-scans erfordert die exakte Einhaltung der Scan-Gesetze, da sonst Signale nicht oder nur unvollstandig abgebildet werden. Haufig sind in Linked-scan- Spektren Artefaktpeaks zu beobachten [69, 701. Von den in Tab. 2 dargestellten Scans gehort die MIKE-(Mass analyzed Ion Kinetik Energy)-Technik zu den bekanntesten. Das Prinzip der Methode zeigt ebenfalls Bild 1. Ein Elternion wird durch den magnetischen Feldsektor selektiert. Die im zweiten feldfreien Raum (metastabil oder durch StoBaktivierung) gebildeten Tochterionen werden mit dem elektrischen Feldsektor nach ihrer kinetischen Energie getrennt. Linienbreite und -form werden in MIKE-Spektren neben der vorgegebenen Energiever- teilung durch die bei der Fragmentierung freigesetzte kinetische Energie T bestimmt. In Abhangigkeit von deren GroBe und von Geraterestriktionen konnen unterschiedlichste Peakformen beobachtet werden. Bedingt durch die bei der Fragmentierung freigesetzte kinetische Energie kommt es in MIKE-Spektren zu

Tabelle 3 tierungsrea ktionen")

MS/MS-Scan Techniken fur konsekutive Fragmen-

Bezeichnung und Reaktion Symbol

Sequentieller Tochterionen-Scan

mf --f ntzf + N, + t m ; + Nz i /h

0 0 0

Sequentieller Elternionen-Scan

rn t : -S m,t + NI -+ m$ + Nz

Selektiver Tochterionen-Scan

m: --* ?m,f + N I + ?m$ f N 3 I I

Selektiver Elternionen-Scan

T m ; k + t m,+ $- N, + rn: + Nz I I

0 0 0

\ I / i 0

0 0 0

0 0 0 I I U

lieaktions-Intermediate

n2 1 f-+tnt$ + N 1 - + m $ + N , p 0 0

0

a) Synibole: 0 Teilchen, fixiert ; * definierte Massenanderung

variabler Analysator; 0 Teilchen, variabel;

Massendiskriminierungseffekten [71]. Mit Hilfe der MIKE- Spektren konnen neben den durch StoBaktivierung induzierton Fragmentierungen, Gln. (2), (3), linter geeigneten Bedingungen Charge-stripping und Ladungsumkehrprozesse [Gln. (6), (7)] beobachtet werden. Die durch Charge-stripping gebildeten doppslt geladenen Ionen erscheinen bei E/d als scharfe Peaks. Zum Nach- weis von negativen (positiven) Ionen, die beim Zerfall positiver (negativer) Ionen gebildet werden, ist eine Umpolung des elektrostatischen Analysators erforderlich. MIKE-Spektren sind oftmals aufgrund groDer Peakbreiten schlecht aufgelost. In Massenspektro- metern mit einer BEqQ-Geometrie gelingt eine Auflosung nach Nominalmassen, wenn der elektrostatische Analysator und der Analysatorquadrupol parallel betrieben werden (EQ-Scan) [72, 731. Die Erweiterung der Spektrometer um einen dritten oder vierten Analysator bietet neben der Erhohung des Auflosungsvermogens w c h die Moglichkeit, konsekutive Fragmentierungsrenktionen zu verfolgen. Eine Zusammenstellung entbalt Tab. 3 [63, 641. Die praktische Ausfuhrung erfordert Spektrometer mit mindestens drei Analysatoren. Die Experimente sind zum Teil sehr aufwendig und mit kommerziell verfugbaren Geraten nicht immer realisier- bar. Prinzipiell gestalten sich die Scan-Gesetze, nach denen mindestens drei Analysatoren betrieben werden mussen, wie dies oben beschrieben wurde.

2.4. Nachweis uon Neutralteilchen - Neutralisations- Reionisations- Massenspektrometrie

Mit der herkommlichen MS-Technik konnen nur Ionen detektiert werden. Die Anordnung von zwei StoDzellen, die durch eine Deflektorelektrode getrennt sind, zwischen zwei Analysatoren (z. B. Magnetfeldsektor und elektrostatischer Feldsektor) ermoglicht den Nachweis von Neutralteilchen in einem Neutralisations- Reionisations-Experiment (8. Bild 5) [7176]. Nach Beschleunigung und Massenselelrtion mit dem ersten Analy- sator (A,) erreichen die Precursorionen AB+ die erste StoOzelle, in der durch Reaktion rnit dem Targetgas G, (z.B. Xe) nach Gln. (10) und (11) (9. Schema) Neutralisation und teilweise kol- lisionsinduzierte Dissoziation (CAD) erfolgen. Nicht neutralisierte AB+-Ionen und deren geladene Bruchstucke werden mit einer De- flektorelektrode aus dem Strahlengang ausgeblendet. Somit ge- langen nur die Neutralteilchen AB und ihre ungeladenen Disso- ziationsprodukte in die zweite StoBzelle. In dieser

AB' + G 1 _r .4R t G; (10)

L A . + B.

ston- r e l l e 1 AB+ + G~ - AB+* + cI

erfolgt die Reionisation der Neutralteilchen durch Kollision mit einem Targetgas G, (z. B. 02). Danebm tritt Dissoziation (CAD) der ionisierten Neutralteilchen auf [GI. (l?)]. Die geladenen Teil- chen werden rnit dem zweiten Analysator (A,) getrennt und in der ublichen Weise detektiert. Ein in der ersten StoDzellc gebildetes Neutralteil AB b3notigt etwa s, um in die zweite StoBzelle zu gelangcn [76]. Das Vor- handensein eines Signals von ABf im NRMS-Spektrum wrist deshalb auf eine Lebensdauer 1 0 P s des Neutralteilchens AB hin. Wird in die erste StoBzelle kein Gas eingelassen, gelmgen unter Wirkung der Deflektorelektrode nur die bei der unimol-kularen Fragmentierung gebildeten Neutralteilchen in die zweite StoR- zelle und werden dort durch StoBe mit einem geeigneten Gas ioni- siert (Collision Induced Dissociative Ionization, CIDI) [75].

Z. Chern., 30. Jg. (1990) IIefl 5 161

I NRMS ( C I D I ) 1

- cs * 100- 182

-A % b)

-CH3CN - - S,SH -

H -HCN/HNC

1 pi '-- 50 - - -

Massenselektion Stonzelle I S t O f h e \ ~ @ ~ MassenanaIySe Ionen

AB+ I-XT f A B * ~ A B + r - l 0 0 -.--c-. - r

LEYl I o;," T 1 *. . i l .'.I A+,B+ I I Deflektor

(Gas1 1 G a s x

Xe He, 02 Bild 5 Experimentelle Anordnung van StoSzellen znr Aufnahme von NRNS-Sprktrcn

2 2 6

2.5. Tl'inkehufgeloste Mussenspektrometrie (Angle Resolved Muss Spectrometry, A R M S )

Die Energie, die bei HochenergiestoSen auf Ionen ubertrsgen n ird, ist von ihrer Translationsenergie, ihrer Rlasse und dem Wech- selwirkungsabstand zwischen Ion und Target abhangig. ,,Harte" StoSe fuhren zu einer VergroSerung des in innere Energie uber- fuhrten Energiebetrages, aulJern sich jedoch auch in einem ver- groSertcn Strcuwinkel. M'ahrend nnter typischen experimentellen Bcdingungen und sehr kleinen Streuwinkeln (groBer IVechselmir- kungsabstand) die ubertragenc Energie in der Groaenordnung von 1 eV liegt, erreicht sie be1 einem Streuwinkel von 1" bis zu 10 eV [32]. Da die moglichen Fragmentierungsreaktionen von dcr inneren Energie rler Ionen abhangen, kann bei Selektion von Precursor-lonen mit bestimmten Streuwinkeln eine untcr- scliiedliche Produktverteilung brobachtet werden. Neben mechn- nistischen Untersuchungen ist mit dieser Methode die Unterschei- dung isomerer Ionen moglich [32, T i ] . Die Aufnahme winkelaufgelostcr Mnssenspektren kann mit unter- schiedlichen Techniken erfolgeti [77-831.

0,. . . . , . . . . , . . . . , . . . . , . . . I . . . . , . . . . , . . . --7

3. Anwendungen

Die Emfuhrung neuer, sogenannter ,,weicher" Ionisierungs- tcchniken hat die Anwendungsbreite drr Massenspektrometrie und damit anch von MS/MS-Techniken mesentlich erhoht. Die ubcrwiegendc Zahl der Applikationen laBt sich jedoch unter drei Gesichtspunkten zusammenfassen: die Charakterisierung von Ionenstrukturen, die hierzu in enger Beziehung stehende Aufkla- rung von Reaktionen der Ionen in dcr Gasphase und der Nuhweis van Vcrbindungen in nlehrkomponentengcmischen bzw. komplexen Matrizes.

erung von Ionenatrukturen

Die Auflrlarung von Ionenstrukturen dominiert bei wcitem alle wciteren Einsatzmoglichkeiten von MS/MB-Technikcn. Metasta- bile cder stofhduzierte Pragmentieriingen selektierter Ionen und die beim Zerfall freigesetzte kinetisclie Energie werden meistens m r Charaktel.isierutig der Ionenstrukturen herangezogen. Einfach gcstaltet sich die Strukturanalyse, wenn in MSjMS- Spektren struktnrspezifische Fragmentionen auftreten. Bild 6 zeigt die MIKE-Spektren von 3-Cyan-6-methyl-4-phenyl- und 3-Cynn-.l-mett~yl-G-pIienyl-pyrid-;'(lH)-thion. Diese Verbindun- gcn sind anhand ihrer Jlassenspektren ktzum zu chtmkterisieren. Die Tocliterionen-Spektren, selelrtiert wurde das Molekulion, zeigen fiir die vorliegende Struktur typische Fragmentionen. Eine Unterscheidung der Isomeren ist durch die bei der G-methyl-sub- stituierten Verbindung auftrctendc Abspaltung von CH,CN mBg- lich. Dic im Hild G gezcigten Tocliterioncnspektren lassen nur indirekt den Srhlul3 auf das ,,zweitc Produkt" einer Zerfallsreaktion, das

Neutralteilchen, zu. Der direkte "achwcis der Neutralteilclirti gelingt nach Deflektion der Ionen durch ibre Iteionisatioii mit, einem StoSgas (vgl. Abschn. 2.4.). Das CIDI-Spcktrum vou 3-Cyano-4-metl~yl-G-(p-clilor-phenyl)-pyrid-2(lH)-thiongibt Bild7 wieder. Die MIKE-Spektren der isomeren Pyridttrione (Rild 6 ) zcigm, daI3 Tochterionen mit teilweise betr8chtjlichcii Znt,ensititsuntcr- schieden auftreten kiinnen. In Ubereinstimmung mit der Quasi- gleichgewichts-Theorie ist die HLufiglreit von Fragmentionen von der inneren Energie des Primiir-Ions und den entsprechenclen Zerfallskonstanten abhangig [47, 481. Die Zerfallskonstmten eitics

100 o/o

50

6000 7000 8000

Bild 7 CIDI-Spektrum von 3-Cyan-4-methyl-6-(p-chlor-phenyl)- pyrid-2( 1s)-thion. Die im Spektrum angegebenen m/z-Werte entsprechen u. a. fol- genden Neutralteilchen: C,H,(m/z 26), HCN/HNC(27), -SH(33), *C1(35), C,H,(39), CS(44), CHS(45)

Ions stehen im funktionellen Zusammenhang mit Rotations- und Schwingungsfrequenzen und der Aktivierungsenergie fiir die Folgezerfalle. Ionen mit gleicher Elementarzusammensetzung, aber unterschiedlicher Struktur, unterscheiden sich daher (gleiche Energieverteilung im Primar-Ion vorausgesetzt) im Intensitats- verhaltnis der Tochterionen. Stirnmen z. B. in MIKE-Spektren Intensitatsverhaltnisse und Halbwertsbreiten (freigesetzte Trans- lationsenergie) von Signalen gebildeter Tochterionen iiberein, sollten identische Strukturen vorliegen und umgekehrt. Diese Tatsache ermoglicht selbst die Unterscheidung von Mole- kulen, die sich lediglich in ihrer ,,Peripherie" unterscheiden. Ein typisches Beispiel reprasentieren die Leucin- und Isoleucin- Konjugate der Jasmonsaure. Bild 8 gibt ein Formelbild der Ver- bindungen wieder, das zugleich einige Fragmentionen der Elek- tronensto0-Massenspektren anzeigt. MIKE-Spektren massenselektierter Molekul- oder, wie im Bild 9 zu sehen, selektierter Fragmentionen mit m/z 187 ermoglichen eine eindeutige Zuord- nung der Verbindungen. Die Intensitiitsunterschiede der Tochter- ionen mit m/z 131 und 128 in den abgebildeten MIKE-Spektren erklaren sich aus der bevorzugt beim Leucin-Derivat ablaufenden Ubertragung des y-H-Atoms, die durch Abspaltung von i-C,H, zur verstarkten Bildung des Fragmentions mit m/z 131 fiihrt. Beim Isoleucin-Derivat domjniert die Abgabe von CO,CH,-Radi- kalen und damit die Bildung von m/z 128 [72]].

1 m l z 268

m l z

lt

128

1

m t z 146

Bild 8 Leucin- und Isoleucin-Konjugate der Jasmonsaure

a ) 100 %

50

I

O J C I 100

%

50

128 187

0- I €

Bild 9 MIKE-Spektren von massenselektierten m/z-l87-[onen aus dem Leucin- (a) und Isoleucin-Konjugat (b) der Jasmonsaure; Bild 9c zeigt das entsprechende Spektrum eines aus Pflanzrll isolierten Produktes

3000 &M)O 5000 6000 7000 8000

Zu den wichtigsten und sehr aktuellen Anwendungcn dcr Timdem- Massenspektrometrie gehort die Strukturaufklirung von Pepti- den. Die allgemeine Vorgehensweise zur Bestimmung der Amino- saure-Sequenz gibt Bild 10 fur ein aus funf Aminosauren bestchen- des Peptid wieder. Die Struktur des Peptides und die beobachteten C- und N-terminalen Bruchstucke sind ebenfallu im Bild darge- stellt. Aus den MIKE-Spekt,ren (Bild 10, G, d ) lL0t sich unmittelbar die Aminosaure-Sequenz ablriten.

3.2. Gasphasenreaktion von Ionen - Fragmentierungsmecha- nismen

Vor allem StoIjprozesse induzieren in den feldfreien Raumen dcr Massenspektrometer eine ausgepragte Gasphasenchemie. In Ab- hangigkeit vom Verbindungstyp k6nnen neben einfachen Bin- dungsspaltungen Umlagerungsreaktionen, Cyclisierungsprozesse, Ring-Kontraktioncn und -Erweiterungen, inter- und intramole- kulare Substitutionen und andere Reaktionen beobachtet werdcn. Einige interessante Aspekte, auch in bezug auf die unter Ab- schn. 3.3. vorgestellte Analytik von Vielkomponentengemischen, bieten Fragmentierungsreaktionen trifluoracetylierter Hydroxy- aromaten. Die dominierende Fragmentierungsreaktion fiir tri- fluoracetylierte Alkylphenole ist die Abspaltung von Trifluorrssig- saure, die zur Bildung von entsprechenden Arinradikalk&tionen fuhrt. Derivatisierte 2,G-dialkylierte Phenole hingegen spalten

Z. C ~ C I I I . , 30. Jg. (1990) Heft 5 0 163

H -Tyr-Ala - Gly- Phe- Leu- OH

100 200 300 400 500 600 rn/z b)

Q Y

235 50 199

OJ r

2000 4000 6000 8000 ENERGIE

Bild 10 (a) FAB-Mas~enspektrum eines aus funf Aminosluren bestehenden Peptides; (b) Struktur des Peptides mit N- (A,, B,, C,,) und C-terminalen (X,,, Y,, Z,) Bruchstucken; (c) MIKE-Spektrum des protonierten Molekulions; (d) MIKE-Spektrum desFregmentions Yi’. Das Symbol Yi’ steht fur ein aus zwei Aminosauren bestehendes C-terminales Bruch- stiick, auf das zwei Protonen iibertragen wurden

nur Trifluoracetylradikale ab. Molekulionen des Trifluoracetoxy- benzens bilden eine Ausnahme : Sic reagieren iiberwiegend unter Abspaltung von CO zu Radikalkationen des Triflnormethyl-phe- nylethers. Durch Massenselrktion des Molekulions mit Hilfe des Magnetfeldsektors, Selektion des nus ihm gebildeten C,H,- 0- CP,l +-Ions durcli den elektrostatischen Analysator und Aufnahme des Tochterionen-Spektrums mit dem Quadrupol- analysator gelingt der unmittelbare Nachweis dieser Reaktion

‘rl , , , 6e , I’i, , . ~~~, , ,162 .

50

0 50 100 150 rn/z

Bild 11 Konsekutive Fragmentierungsreaktion von Molekiil- ionen des Trifluoracetoxy-benzens

Das auf diese Art und Weise mit dem dritten Analysator erhaltene Tochterionen-Spektrum gibt Bild 11 wieder [88,89]. Auch trifluoraeetyl-substituierte Naphthole, Tetritlole und Inda - nole fragmentieren unter Abgabe von Trifluoressigsiiure bzw . Trifluoracetylradikalen. In teilweise konsekutiven Reaktionen werden in Ubereinstimmung mit den Gln. (13)-(16) C,H,l+-Ionen gebildet. CAD/MIKE-Spektren dieser Ionen lassen vermuten, daD sie eine mit dem Indenylkation vergleichbare Struktur aufweisen. Dieses Kation kann durch H-Abstraktion aus dem Molekdlion

9 I15

o J 3000 LOOO 5000 6000 7000 8000

ENERGIE

Bild 12 CAD/MIKE-Spektrum von C,H,l+; Precursor: Inden

des Indens [Gl. (16)], aber auch, ausgehend vom Molekulion des Tetralens [Gl. (17)], erzeugt werden. Bild 12 zeigt stellvertretend das CAD/MIKE-Spektrum von C,H,l+, erzeugt aus Inden.

n 1:

0 l?

0 lt

” -H. t

Tabelle 4 tion C,H,l+ + C,H,l+ + C,H,,

Freigesetzte kinetische Energie (in meV) fur die Reak-

Precursor T0.5

Inden 91

Tetralen 91

1 -Trif luorace to xy- tetralen 9 2 1 -Trif luoracetoxy- naphthalen 146

2-Trifluoracetoxy- naphthalen 117

164 Z. Chern., 30. J g . (1990) Zleft 5

Ire1 '00 - Yo . Translatiocsenergie To,, abgeleitet werden. Tab. 4 zeigt die ermit-

telten Werte fur die Abspaltung von C,H, (Bildung von C,H,l+, m/z = 89) aus [C,H,]-Ionen. Deutliche Abweichungen von den ubrigen To,,-Werten wrrden fur die aus 1- bzw. 2-Trifluoracetoxy- naphthalen erzeugten [C,H,]-Ionen beobachtet. Die Struktur dieser Ionen sollte sich damit von der der ubrigen [C,H,]-Ionen unter-

50.

i 15 16 17 18 19Sht.20

1157 -254

128 1LO

114

65

scheiden. Winkelaufgeloste Massenspektren von [C,H,]-Ionen, erzeiigt aus

10 1 15 16 17 18 19Skt.20

Bild 13 Winkelabhangigkeit der Intensitatcn der Ionen rnit m/z 114, 89 und 65 in den CAD/MIKE-Spektren von C,H,-l+, erzeugt aus Inden (a) und 1-Trifluoracetoxy-naphthalen

i A. A /

fluoraretylderivatc von 1- und ?-Naphthol befolgen damit einen Fragmentierungsueg, dur von dem in den Gln. (13)-(17) skizzier- ten abwricht. Die MlKE-Spcktren von 1 -Methyl-2-trifluoracetoxy-naphthalen zeigen einen typischen ortho-Effekt, der auch fur andere analog subsGtnierte Verbindungen charakteristisch ist. Bild 14a zeigt das CAD/MIKE-Spektrum des Molekulions. Das MIKE-Spek- trum im Bild 14b, ebenfalls unter CAD-Bedingungen aufgenom- men, gibt die aus dem Ion injz 157, C,,H,O~+, hervorgehenden Tothterior,en wicdrr. Der im Bild 14 fur den Peak bei m/z = 128 dargestellte EQ-Scan verdeutlicht, daB mehrere Prozesse unter dicscm Signal verborgen sind. Nicht, wie ails dem MIKE-Spektrum zu veimntcn, die Bildung von m/z 128 durch CHO-Abspaltung, Eondern die von m/z 129 durch CO-Eliminierung ist der dominierende ProzeB. Das Auftreten derIonrn mit m/z 128,127 und 126 ist

i

. 6600

oJ 3000 4000 5000 6000 7000 8000

ENERGIE

Bild 14 (a) MIKE-Spektrum von Molekiilionen des l-Methyl-2- trifluoracetoxy-naphthalens und b) massenselektierter~CllHsO~ *- Ionen. Der Insert zeigt den EQ-Scan fur in/z 138

an die im zweitell feldfreien h u m ablaufenden HochenergiestdBe gebunden. Niederenergiestoae im drittrn feldfreien Rzum dcs Hpektrometers bewirken nur die CO-Eliminierang aus den massenselektierten 157-m/z-Ionen. Erst bci hoheren S t o h e r g i e n von einigen 100 CV und sehr hohen Stoflgasdruckeu kitnii die Bildnng von mlz 128 und mlz 127 beobachtet werden.

1

3.3. Nnchwei.s von Verbindungen in Vielkomponentengemischen

Die in MS/MS-Experimenten erzielte Massen~elektion ermoglicht es, auf eine chromatographkcbe Trennung von Mehrkomponen- tengemischen zu verzichten. Der Nachweis spezieller Verbindun- gen, unter bestimmten Voraussetzrlngen auch aller Verbindungen eincr Stoffklasse, gelingt so auch in kompliziertesten Matrizen. Ein typisches Beispiel fur die Identifizierung von Verbindungen in komplexen Matrizcn zeigt Bild 15. Im oberen Teil ist das Elek- tronenstoB-Massenspelrtrum eines Leberextraktes einer RtLtte, der mit TcN(et,dtc),l+ ein potentielles Radiopharmaka injiziert wurde, abgebildet. Der Nachweis des Technetium-Komplexes gelingt durch Massenselektion des Molekulions (m/z 409) rnit Hilfe der B-E-Einheit des Spektrometers (erforderliche Auflosung > 2 000) und Aufnahme des Tochterionen-Spektrams, ausgehend vom dritten feldfreicn Raum. Das mit dem Quadrupolanalysltor aufgenommene Spektrum, das mit dem der reinen Substanz iden- tisch ist, gibt Bild 15b wieder [Sl]. Friigmentieren Molekulionen von unterschiedliclien Verbindungen iiber ein gemeinsames Tochterion oder spalten das gleiche Neri- tralteilchen ab, so kijnnen diese docch Elternionen- bzw. Ncutrd- teilchenverlust-Spektren detektiert werden. Dies gelingt selbst in ausgepragten Vielkomponentengemischen, wie sie Produkte der Kohleverflussigung ditrstellen [92-941. Die in Abschu. 3.2. ausfuhrlich beschriebenen Pragmentierungs- reaktionen derivatkierter Hydroxyaromaten ermoglichen durch

2. Chem., 30. Jg. (1990) Heft 5 165

10011 I 1?9

100 200 300 LOO 500 m/z

I 7'

LO9

m/2

Bild 1.5 (a) EI-Massenspektrum des Leberextraktes einer mit TcN(et,dtc), injizierten Ratte (rt,dtc = N, N-Diethyldithiocarb- amat) ; b) mit dcm Quiidrupol-Analysator aufgenommenes Tochter- ioncn-Spektrum von hIolekiilionen des TcN(rt,dtc),, selektiert aus dem Lcbrrcxtrakt (m/z = 409; Auflosung der B-E-Einheit des Spektromctcrs > 2000)

die Registrierung von Neut,raltrilchenverlust-Spektren den Nach- weis dieser Verbindnngen in komplexen Qemischen [89]. Bild 16 vcrdeutlicht dies am Beispirl einer Asplialten-Fraktion aus der Kohlehydrierung. Aus dem Massenspektrum des Asphaltens konnen keine Anssagen iiber moglirhe Inhaltestoffc abgeleitrt werden (Bild l(ia). Das Neutralteilchenverlnst-Spektrum, nach Deri- vatisierung des Asphaltens mit N-Methyl-bis-trifluoracetamid er- hnlten, zeigt anhand drs Massenverlustes von 97 aniu (CF,CO- K;tdikale) die im Gcmisch vorliegenden Hydroxyiiromaten (Bild l(ib). Licgen Verbindungen gleichcr Elementitrzusammensetzung im Gc misch vor, ist Pine Mnssensrlektion, z.B. des Molekulions einer Komponent-, nicht mehr moglich. Zur 1drnt)ifizierung der Sub- stanzcn mu8 in dirsem Fall einr ciliromntographischr Trmnung vorgrsclialtet wrrden. Bild 17 zeigt ein rntsprechendes GC/MS/ $IS-Experimmt zur (Iharakterisierung von h'ermentationsproduk- ten dcs ?-Pinens [!MI. Drr obere Teil des Bildcs (Bild I7a) gibt dtis Totiiliorirnstiom-Chromntogramm des Grmiaches wieder, das i ius den rpgistrimten B/E-l,inkcd-scans gebildet wurde. Die Toeh- triionen-Spektren der massensclektierten Molekulionen (m/z =

150) gcstnttcn, wie in den Bildern 17b-d gezeigt, durch Vergleich mit entsprechenden Spektrrn reiner Verbindungen eine eindeutige Zuordnung. Eine Identifizierung der Verbindungen mit Hilfe von GC/MS-Untersucliungen ist kaum miiglich, d s sich ihre ~IektionenstoR-Massensp~~ktren nur geringfugig unterscheiden. Die mi t, der Tandem-Massenspektrometrie erzirlte Massenselektion brwirkt zugleich eine Unterdruckung des ,,chemischen Rauschens".

Ire110O 5771 I I 85 r x 3 50

0 50 100 150 200 250 300 350 m/z

I ynn- 218 232 qR

180 200 220 240 260 280 300 rn/z

Bild 16 (b) Neutralteilchenverlust-Spektrum (CF,CO., 97 amu) des mit N-methyl-bis-trifluoracetitmid derivatisierten Asphaltens

(a) EI-Massenspektrum eines Asphaltens;

01

're1 '00 %

50

B/E linkedscon

0 50 100 150 200 250 300 SCANS

94 0 . . . , , ' . I . . . . . . - , . ,

150 200 rn/z

Bild 17 Myrtrnal und Verbenon in Fermentationsprodukteii

GC/MS/MS-Experiment zum Nltehweis von Thymol,

Diese Tatsnche crlaubt die quantitative Restimmung organi- scher Substanzen im Spurenbereich. Anwendungen auf dcm Gr- biet der Timweltanalytik, die in LOO] zusammengrfaBt sind, zelgen, da8 der Nachwcis unt,erschiedlic'lister Verbindungen im ppb- Brrcich nioglich ist.

Die Autoren dankcn Doz. Dr. S. Leir tner , Dr. H . V i r w e g , Dr. R. Loster, Dr. J . Schmidt, Dr. U . Abram nnd Dr. M . Ilo'rre fiirdie Uberlassung von Verbindungen.

L i t c r a t u r

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2,1 R

Kurze Originalmitteilungen

a b C d e C6H5 L-CIC6HL CgH5CH2 n-C,+H9 CH2=CH-CH2

5- (,~rgl-slkyl)methglaiaino-lH-l, 2,4-triasole an6 Azomethinen untl Grignard-Reagenzien

J f a n j r e d Ilartmunn"), ICllie IVeigel, Kurt IVerinann

Briedrich-Scliillcr-Universitat Jcna, Sektion Chemie, Jena, DDK-6900

Azol-Fungizide nnd -Antimykotikn besitzen aufgrund ihrer Hemm- wirkung auf die Sterol-Riosynthew besonderes Interesse [l]. Um zu neurn, potentiell bioziden 5-(Aryl-alkyl)methylamino-l€~- 1,2,4-triazolen ( 8 ) auf einfacheni Wege z u glangen, diente uns das leicht zugiingliche &Amino- 1 H-l,2, 4-triiLzol (Amitrol) [2] a19 Susgangsstoff. Wahrend die direltte Alkylierung des Amitrols zumeist unter Rildung verschiedener isomerer N-Alkylderivate verlauft [3, 41, lassen sich durch Umsetzung von %Brom-lH-l,2,4- triazol mit primiren Aminen [5] oder durch reduktive Alkylierung von Amitrol mit Sldehyden und Icetonen [(;I sekundare Amino- gruppen gezielt in den I, 2, 4-Triazolring einfiihren. Zur Syntheso von 3 untersuchten wir den bisher nicbt beschriebenen \Veg der

+ 2 R M g X

2a-e

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eingegungen am 12. Oktober 1989 ZCA 9818

(Einga-ng der gekiirzten Fassung : 25. Januar 1990)

Reaktion von Azomethinen des Amitrols mit Grignurd-Reagen- zien [7, 81, wobei das aus Amitrol und Anisaldehyd leicht erhLlt- liche 5-(-l'-Methoxybenzyliden)-smino-lH-l,2,4-triazol (1) [9] als Modellverbindung ausgewiihlt wurde. Die Umsetzung von 1 rnit mehr als 2 mol Grignard-Reagens 2a-2e crfolgte in Ether bei hohcr Ruhrgeschwindigkeit, dc~ sowohl 1 als auch die nach der Hydrolyse sich bildenden Amine 3a-3e in diesem Medium nur geringe Loslichkeiten besitaen. Die Reak- tionszeiten betrugen in Abhangigkeit von der Reaktivitat der cingesetzten Grignurd-Rcagenzien 2a-2e zwischen 5 h und 20 h. Auf diesem Wege lassen sich die lH-1,2,4-Triazol-5-y1,2mino- derivate 3a-3e in Ausbeuten van 47-79% darstellen. Die sehr starke Valenzschmingung der C=N-Doppelbindung im IR-Spektrom des Azomethins 1 bei 1610 cm-I tritt in den Spek- tren von 3u-3e nicht auf, dafiir zeigen sich NH-Valenzbanden in dem fur sekundare Amine typischen Bereich von 3268 bis 3300 cm-I (Tab. 1). Die Absorption bei 3 136-3 220 cm-I weist auf die Ituckbildung der NH-Bindling des Azolringes durch Hydro- lyse der nicht isolierten Gri~nard-Zwischenprodukte Iiin. Aucli die IH-NMR-Spektren stehen mit der Struktur 3 in Einklsng. So ist die chemischc Verschiebung dcH der Azomethinbindung in 1 aufgrund des mit der Urnwandlung in 3u-3e verbundenen Hy- bridisierungsivechsels signifikant nach hoherem Veld verschoben und tritt als Dublett auf. Das Signal des neuen NH-Protons liegt bei 3,12-3,66 ppni und ist von der chemischen Verschiebung des Azol-NH-Protons bei 13,22-12,76 ppm gut unterschcidbar.

Exper imente l les

Der nacli Dumas bcstimmte Stickstoffgehalt der Verbindungrn stimmt rnit den angegebenen Strukturen iiberein. Zur Aufnalime der IR-Spektren (KBr-PreBlinge) diente dou Spektrometer M 8 0 (VEB Carl Zeiss JENA). Die 'H-NBIR-

Tabelle 1 6-(Aryl-alkyl)rnethylami~~o-lH~l, 2,4-triazole 3a-3e

Verbin- Aus- Schmp./"C Summen- IR-Spektrum v/cm-l lH-NiVIR-Spektrum S/ppm dung bcu te/o/$ formel NH(Amiii) NH(Azo1) R-CH NH(Amin) NH(Azo1)

3a 60 209 C,GHl,N*O 3 284 3 220 &08 3,62 j $36 (280,Y)

(314,8)

("4,4)

3b r n I i 20% C,,H,,ClN,O 3 3 4 3 140 6,03 3,&? 12JG

3e 47 192 C,,H,,N,O 3 308 3 136 -1,76-5,08 3,59 12,22

3d 58 112 C,,H,OPJ,O 3 168 3 145 4,41-4,87 3,12 1 2 , 3 (2(jO,3)

("43) Cl3HlGN4O 3 300 3 1.2s 6,70-G,ll 3,13 - ile 79 118

168 Z Clrerri , 30 Jg. (1990) Ifel l 5

Documents

Tandem-Massenspektrometrie — Grundlagen und Applikationen