Дериватизация серосодержащих соединений для масс-спектрометрии с «мягкими» методами ионизации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.03, кандидат наук Козлов Антон Вячеславович

• Козлов Антон Вячеславович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Козлов Антон Вячеславович

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. Изучение органических сульфидов и тиолов масс-спектрометрическими методами и способы их дериватизации

1.1. Применение различных масс-спектрометрических методов для анализа сульфидов и тиолов

1.1.1. Методы ионизации соединений в газообразном состоянии

1.1.2. Десорбционные методы ионизации

1.1.3. Методы ионизации соединений в жидком состоянии

1.2. Применение масс-спектрометрических методов для исследования сульфониевых солей

1.2.1. Изучение модельных сульфониевых солей

1.2.2. Изучение сульфониевых солей в природных и иных объектах

1.3. Превращение сульфидов в сульфониевые соли для их масс-спектрометрического исследования

1.4. Дериватизация тиолов для их масс-спектрометрического исследования

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Исходные вещества и материалы

2.2. Химическая модификация аналитов и пробоподготовка для масс -спектрометрического анализа

2.2.1. Алкилирование сульфидов моногалогеналканами

2.2.2. Алкилирование сульфидов иодалканами

2.2.3. Алкилирование сульфидов тетрафторборатами триалкилоксония

2.2.4. Алкилирование сульфидов дибромалканами

2.2.5. Алкилирование сульфидов 1,3,5-трис(бромметил)бензолом

2.2.6. Алкилирование тиолов моногалогеналканами

2.2.7. Алкилирование тиолов тетрафторборатами триалкилоксония

2.2.8. Алкилирование тиолов дибромалканами

2.2.9. Обработка образцов для анализа методом масс-спектрометрии МАЛДИ

2.2.10. Обработка образцов для анализа методом масс -спектрометрии ИЭР

2.3. Оборудование и условия измерения масс -спектров

Глава 3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1. Обоснование необходимости дериватизации органических сульфидов и тиолов для исследования их структуры и анализа методами масс -спектрометрии с «мягкими» способами ионизации (МАЛДИ и ИЭР)

3.2. Дериватизация сульфидов с получением моносульфониевых солей и особенности их масс-спектров ИЭР и МАЛДИ

3.2.1. Получение моносульфониевых солей из сульфидов

3.2.2. Исследование масс-спектров МАЛДИ и ИЭР моносульфониевых солей, полученных из сульфидов

3.2.3. Особенности масс-спектров ДИС моносульфониевых катионов, получаемых из тиацикланов

3.2.4. Качественные и количественные различия в МС/МС-спектрах сульфониевых катионов в случае структурных изомеров

3.3. Дериватизация сульфидов с получением полисульфониевых солей и особенности их масс-спектров ИЭР и МАЛДИ

3.3.1. Получение полисульфониевых солей

3.3.2. Особенности масс-спектров МАЛДИ и ИЭР полисульфониевых солей

3.3.3. МС/МС-спектры бис-сульфониевых солей на основе ксилилендибромидов

3.3.4. МС/МС-спектры других полисульфониевых солей

3.4. Дериватизация тиолов с получением моносульфониевых солей и особенности их масс-спектров ИЭР и МАЛДИ

3.4.1. Получение сульфониевых солей из тиолов и их ординарные масс-спектры ИЭР и МАЛДИ

3.4.2. МС/МС-спектры сульфониевых солей, получаемых из

тиолов

Выводы

Список сокращений и условных обозначений

Список используемой литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Дериватизация серосодержащих соединений для масс-спектрометрии с «мягкими» методами ионизации»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Органические соединения серы являются большой и важной группой природных и синтетических веществ. Они играют значительную роль в биологических процессах, применяются в составе фармакологических препаратов, широко распространены в нефтях и других каустобиолитах, а также специально синтезируются для множества целей. Значительную их долю составляют сульфиды и тиолы, непосредственно являющиеся объектами данной работы. Соединения с сульфидной и сульфгидрильной группой могут быть как незаменимыми составляющими живых организмов (цистеин, глутатион, метионин, биотин, белки с внутри- и межцепными дисульфидными связями [1]) и экзогенными биологически активными субстанциями, так и экологически опасными веществами, оказывающими токсическое действие (низшие тиолы и сульфиды, отравляющее вещество иприт) (рис. 1.1).

ын2

о

ын2

МН2

цистин

апмпшттеин

НО

пенициллины

глутатион

иприт (горчичный газ)

Рисунок 1.1. Структуры наиболее известных сульфидов и тиолов, а также димера цистеина - цистина.

Совершенно очевидно, что детектирование и идентификация соединений такого типа, мониторинг их содержания, профилирование и количественное определение в различных субстратах представляют собой важные задачи. Эти данные необходимы при медико-биологических исследованиях, поскольку значения концентрации тиолов в биологических жидкостях человека дают представление о заболеваниях и некоторых метаболических нарушениях. Содержание серы в нефти критически сказывается на ее технологических свойствах, а наличие в пищевых продуктах некоторых сернистых соединений даже в следовых количествах сильно влияет на их вкусовые характеристики.

В зависимости от объектов исследования, задач, возможностей и других факторов анализ сераорганических соединений может производиться рядом методов, как классических химических, так и современных физико -химических, использующих специальную инструментальную технику, таких как: спектрофотометрия, ядерный магнитный резонанс, капиллярный электрофорез, электрохимические методы, хроматографические методы с использованием различных детекторов и т.д. Однако одним из наиболее эффективных, чувствительных, селективных и прецизионных способов анализа этих веществ является масс-спектрометрия, чаще всего в сочетании с газовой и жидкостной хроматографией. В последние три десятилетия особую популярность приобрели масс-спектрометрические методы низкоэнергетической ионизации, включающие ионизацию электрораспылением (ИЭР), реализующуюся при атмосферном давлении, и лазерную десорбцию/ионизацию с активацией матрицей (МАЛДИ) или наноструктурированной поверхностью (НАЛДИ). При прямых исследованиях этими методами нейтральные молекулы должны быть превращены в заряженные частицы путем протонирования, катионирования или депротонирования, однако такие слабополярные соединения как органические сульфиды и тиолы практически не подвергаются этим процессам, что затрудняет их анализ данными методами без привлечения дополнительных процедур. Одним из наиболее продуктивных способов решения этой проблемы может быть предварительная химическая модификация (дериватизация) аналитов с целью получения

производных, легко ионизирующихся в условиях применяемых методов. При этом появляется возможность не только успешно проводить детектирование и идентификацию целевых серосодержащих соединений, но и с использованием дополнительных масс-спектрометрических методик получать информацию о строении исходных веществ, дифференцировать структурные изомеры, изучать особенности протекания реакций и собирать другие важные аналитические данные.

Степень разработанности темы. Дериватизация органических соединений, в частности, для масс-спектрометрического исследования, - обширное направление, которому посвящено множество научных статей и обобщающих фундаментальных работ [2, 3]. Определенная их часть довольно обстоятельно рассматривает разнообразные способы модификации тиолов: от наиболее традиционных, использующих такие классические реагенты, как иодоацетамид [4] или ^-этилмалеимид [5], до более специфических, разработанных для решения конкретных четко охарактеризованных проблем [6, 7]. Дериватизация органических сульфидов менее распространена и, как правило, нацелена на получение хорошо поддающихся ионизации производных метионина и метионинсодержащих пептидов [8], а также сульфидов, присутствующих в нефтях [9, 10]. Однако если значительная часть дериватизационных подходов, как и в настоящей работе, заключается в образовании из сульфидов сульфониевых солей, то получение таких производных из тиолов для расширения возможностей их масс-спектрометрического анализа не было достаточно хорошо освещено (например, в работах [11] и [12] такое превращение было использовано для иных целей). Несмотря на то, что, к примеру, реакция сульфидов с пара-ксилилендибромидом широко известна в виде промежуточной стадии при получении полиариленвиниленов [13], применение ди- и трибромидов в качестве дериватизирующих агентов для масс-спектрометрического анализа, приводящих к образованию полисульфониевых солей, ранее не предлагалось.

Масс-спектры продуктов активации соударением (МС/МС-спектры) некоторых сульфониевых солей, полученные в условиях диссоциации,

индуцируемой соударением, исследовались ранее [14-18], но фрагментация циклических катионов практически не изучалась. При этом не проводилось исследований влияния структурной изомерии исходных тиацикланов на фрагментацию соответствующих им сульфониевых солей, а также не выявлялись характеристические фрагментные ионы, которые могут значительно облегчить процедуру однозначной идентификации сернистых соединений. Данных об изучении МС/МС-спектров каких-либо полисульфониевых солей нами также найдено не было.

Цель и задачи исследования. Целью исследования, проведенного в рамках данной диссертационной работы, являлась разработка метода количественного и эффективного превращения различных органических сульфидов (диалкилсульфиды, алкиларилсульфиды, ароматические сульфиды, моно- и бициклические тиацикланы) и тиолов в производные, хорошо поддающиеся ионизации при исследовании методами масс-спектрометрии с ионизацией электрораспылением (ИЭР) и матрично-активированной лазерной десорбцией/ионизацией (МАЛДИ), а также ее безматричным вариантом с лазерной десорбцией/ионизацией, активированной наноструктурированной поверхностью (НАЛДИ). Необходимо было изучить особенности масс-спектров ИЭР, МАЛДИ и НАЛДИ сульфониевых и бис-сульфониевых солей, являющихся продуктами основного выбранного нами способа химической модификации, а именно Б-алкилирования (названного нами «дериватизацией с генерацией заряда»). С помощью тандемной масс-спектрометрии требовалось установить закономерности фрагментации катионной части синтезируемых солей для получения возможности различать региоизомеры и выявления характерных особенностей, способствующих однозначной идентификации соединений. Для достижения этих целей нужно было решить следующие задачи:

- разработать удобные, простые и количественные способы Б-алкилирования для микросинтеза сульфониевых солей из анализируемых органических сульфидов и тиолов;

- провести сопоставительный анализ информативности масс-спектров моно-и бис-сульфониевых солей, зарегистрированных в условиях ИЭР, МАЛДИ и НАЛДИ;

- изучить влияние структурных особенностей сульфониевых катионов, генерируемых из производных на основе тиацикланов, на характер их диссоциации, индуцируемой соударением (ДИС).

Научная новизна. Разработаны методы химической модификации неполярных и малополярных органических сульфидов и тиолов с помощью их алкилирования различными моно- и дигалогенидами, а также тетрафторборатами триалкилоксония, направленные на получение сульфониевых и бис -сульфониевых солей. Оптимизированы условия масс-спектрометрического детектирования получаемых производных с использованием таких «мягких» методов ионизации, как ИЭР и МАЛДИ, что позволило регистрировать высококачественные масс-спектры исследуемых ^-содержащих соединений с большим отношением сигнал/шум. С помощью данных методов исследованы возможные пути реакций циклических сульфидов с различными ди- и трибромидами. Впервые проведено систематическое изучение особенностей фрагментации в условиях диссоциации, индуцируемой соударением, четно-электронных циклических сульфониевых катионов, получаемых из сульфидов и тиолов. Установлены характерные направления фрагментации сульфониевых солей, позволяющие проводить дифференциацию структурных изомеров в ряду исходных тиацикланов. Впервые описаны характерные признаки орто-эффекта, проявляющегося при диссоциации бис-сульфониевых дикатионов, полученных из тиацикланов и орто-ксилилендибромида. Выявлены характеристичные пики осколочных ионов, закономерно образующихся при фрагментации катионов, получаемых реакцией тиолов с дибромидами, которые могут использоваться для определения тиолов методом мониторинга выбранных реакций.

Теоретическая и практическая значимость. Разработанные методы дериватизации сульфидов и тиолов позволяют с количественным выходом получать сульфониевые соли, обладающие высокой эффективностью ионизации в

условиях масс-спектрометрического исследования методами ИЭР и МАЛДИ. Применение тандемной масс-спектрометрии делает возможным проведение дифференциации структурных изомеров в ряду тиацикланов, а также идентификацию тиолов в смесях по характеристическим пикам осколочных ионов. Изучение особенностей протекания реакций тиацикланов с различными ди- и трибромидами предоставляет данные об образовании и строении полисульфониевых солей, а также об эффектах, проявляющихся при фрагментации соответствующих поликатионов. Предложенные подходы могут использоваться для качественного и количественного определения ^-содержащих соединений синтетического и природного происхождения, в частности, в метаболомике.

Методология и методы исследования. Методология работы была ориентирована на выполнение целей исследования и решение всех поставленных задач. Сначала экспериментальным путем подбирались реагенты, наиболее эффективно превращающие определенные субстраты в сульфониевые соли. Степень прохождения проводимых реакций контролировалась с помощью метода ГХ/МС. Далее проводилось масс-спектрометрическое исследование полученных реакционных смесей методами ИЭР, ВЭЖХ/ИЭР, МАЛДИ и НАЛДИ с подбором оптимальных параметров анализа и матриц в случае метода МАЛДИ. После этого при помощи тандемной масс-спектрометрии выявлялись характерные направления фрагментации полученных моно- и полисульфониевых катионов, отражающие структурные особенности исходных сульфидов и тиолов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Способы дериватизации органических сульфидов и тиолов моно - и полигалогеналканами, позволяющие легко и количественно получать моно- и поли-сульфониевые соли с высокой эффективностью ионизации в условиях масс-спектрометрического анализа методами ИЭР и МА(НА)ЛДИ.

2. Метод дифференциации исходных изомерных тиацикланов с различным расположением алкильных заместителей в 5-гетероцилическом

кольце, основанный на оценке количественных и качественных различий в спектрах ДИС соответствующих им сульфониевых катионов.

3. Характеристика продуктов реакций тиацикланов с различными полибромидами и объяснение орто-эффекта, наблюдаемого в МС/МС-спектрах бис-сульфониевых катионов на основе орто-ксилилендибромида.

4. Разработанные подходы к идентификации тиолов по МС/МС-спектрам циклических сульфониевых солей, получаемых предварительной дериватизацией дибромидами.

Степень достоверности результатов. Достоверность полученных результатов и обоснованность выводов обеспечивались, прежде всего, применением современных физико-химических методов исследования на основе масс-спектрометрии ИЭР и МАЛДИ, а также тандемной масс-спектрометрии, получением воспроизводимых экспериментальных данных, не противоречащих современным научным представлениям и закономерностям. В некоторых случаях в комбинации с методом ИЭР применялась высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ), а наряду с методом МАЛДИ - его безматричный вариант (НАЛДИ). Для подтверждения воспроизводимости результатов все измерения проводились несколько раз. Полнота прохождения реакций, а также чистота исходных соединений устанавливалась методом ГХ/МС. Достоверность получаемых результатов также подтверждалась согласованностью со связанными литературными данными.

Апробация работы. Результаты работы были доложены на: XXIII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2016» (11-15 апреля 2016, Москва), X Международной конференции молодых ученых по химии «Менделеев-2017» (4-7 апреля 2017, Санкт-Петербург), Всероссийской конференции «Байкальская школа-конференция по химии-2017» (15-19 мая 2017, Иркутск), 65-ой конференции Американского масс -спектрометрического общества (4-8 июня 2017, США, Индианаполис), VII Всероссийской конференции с международным участием «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы» (9-13 октября 2017, Москва) (2 доклада), IX

Международной конференции «Инновации в химии: достижения и перспективы» форума студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2018» (9-13 апреля 2018, Москва), Юбилейной научной конференции «ИНХС РАН - 85 лет» (1-7 марта 2019, Москва), VIII Всероссийской конференции с международным участием «Масс-спектрометрия и ее прикладные проблемы» (15-18 октября 2019, Москва).

Публикации. По материалам работы опубликовано 4 статьи (все в журналах, рекомендованных ВАК Российской Федерации и входящих в международные базы данных Scopus и Web of Science) и 9 тезисов докладов в сборниках материалов научных конференций.

Структура и объем работы. Диссертация объемом 154 страницы, состоит из введения, обзора литературы (глава 1), экспериментальной части (глава 2), обсуждения результатов работы (глава 3), выводов, списка сокращений и условных обозначений и списка цитированной литературы (195 библиографических ссылок). Содержит 8 таблиц и 40 рисунков.

Глава 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР Изучение органических сульфидов и тиолов масс-спектрометрическими методами и способы их дериватизации

1.1. Применение различных масс-спектрометрических методов для анализа

сульфидов и тиолов

1. 1. 1. Методы ионизации соединений в газообразном состоянии

Исторически первыми появились методы масс-спектрометрии, в которых процессу ионизации предшествовало превращение исследуемого вещества в газообразное состояние. Наиболее распространенным вариантом приборов такого типа, широко используемым по сей день, является масс-спектрометр с ионизацией электронами (ИЭ), который позволяет проводить высокоточный качественный и количественный анализ соединений, особенно в сочетании с газовым хроматографом. Первые аналитические приборы такого типа были изобретены и представлены А. Дж. Демпстером в 1918-1921 годах [19]. Данным методом было подробно изучено множество низкомолекулярных сульфидов и тиолов с выявлением определенных закономерностей фрагментации, соответствующих отдельным классам веществ [20, 21]. Несомненно, стоит отметить большой вклад в исследования в данной области, сделанный советскими и российскими учеными А.А. Поляковой, Р.А. Хмельницким, Е.С. Бродским, В.Г. Заикиным, в частности, по изучению циклических сульфидов, встречающихся в нефтях [22-24].

Технически похожим на метод ИЭ является химическая ионизация (ХИ), разработанная Ф. Филдом и М. Мансоном в 1966 году, которая для ионизации использует газофазные ионно-молекулярные реакции в ионном источнике масс-спектрометра [25]. Она также применима для анализа веществ, которые предварительно требуется перевести в газовую фазу, и используется в случаях, когда важно получить пик молекулярного иона, часто отсутствующий в спектрах ИЭ, или снизить слишком интенсивную фрагментацию молекул. ХИ с регистрацией отрицательно заряженных ионов также может значительно увеличить чувствительность соединений с определенными функциональными

группами. Многие тиолы и сульфиды были подробно изучены данным методом, что позволило получить дополнительную информацию об их структурных особенностях и различных путях фрагментации в результате газофазных реакций [26, 27]. Вариант ХИ с регистрацией отрицательно заряженных ионов был успешно использован российскими учеными для определения состава серосодержащих соединений в сложных смесях, в частности, в нефтях [28].

Для анализа соединений, легко переводимых в газообразное состояние, также можно использовать вариант масс-спектрометрии с полевой ионизацией (ПИ), предложенный М. Инграмом и Р. Гомером в 1954 году [29]. В этом случае молекулы аналита ионизируются в процессе туннельного перехода при приближении к специальному эмиттеру, покрытому углеродными микроиглами. В масс-спектрах ПИ обычно отсутствуют пики фрагментных ионов, причем в определенных случаях использование данного метода позволяло получать лучшие результаты при определении состава смесей и дифференциации изомеров, чем метода ИЭ. Ряд сульфидов и тиолов был проанализирован с помощью метода ПИ [30, 31], но количество работ, опубликованных в данной области, не слишком велико.

1. 1. 2. Десорбционные методы ионизации

Далеко не все соединения серы обладают достаточной термической стабильностью и летучестью для того, чтобы их можно было перевести в газовую фазу без разложения. В результате методами масс-спектрометрии с ИЭ и ХИ сложно либо невозможно проводить анализ многих полярных веществ, природных объектов, высокомолекулярных соединений. Для решения этих и многих других задач в течение десятилетий разрабатывались и вводились в эксплуатацию иные методы ионизации для масс-спектрометрического детектирования, позволяющие анализировать вещества как в жидком, так и твердом состоянии; при этом значительно увеличивался диапазон измеряемых масс. Такие методы ионизации органических веществ относятся к так называемым «мягким» и, так же, как и в случае с ХИ, либо приводят к слабой

фрагментации аналита, либо не вызывают ее вовсе. Особенностью их является наличие в масс-спектрах интенсивного пика в области регистрации молекулярного иона (в зависимости от условий ионизации это могут быть пики ионов [M+H]+, [M-H]+, [M+Na]+, [M+K]+ и т.д.). Для получения информации о строении анализируемых соединений в этом случае используются различные варианты тандемной масс-спектрометрии [32].

Первые методы ионизации, позволившие масс-спектрометрически исследовать нелетучие и термически неустойчивые соединения, дали основу развитию группы так называемых десорбционных методов. В них в результате бомбардировки (облучения) различными частицами или других процессов анализируемое вещество в твердом или конденсированном состоянии подвергается практически одновременной десорбции и ионизации. Первым методом такого типа стала полевая десорбция (ПД). Его принцип схож с методом ПИ, но в данном случае образец наносится непосредственно на эмиттер, а молекулы ионизируются и десорбируются с его поверхности. Метод был представлен разработчиком Х. Беки в 1969 году [33], а позже им был впервые получен масс-спектр, содержащий пик молекулярного иона цистина (димера цистеина), который не удавалось зарегистрировать методами ИЭ и ХИ из-за разложения образца в нагреваемой системе ввода. Также в этой работе были представлены масс-спектры других аминокислот, в числе которых присутствовали метионин и цистеин [34]. На основе комплекса спектроскопических исследований, включающих масс-спектрометрию с полевой десорбцией, были определены структуры многих других серосодержащих веществ, в том числе алкалоидов. Одним из примеров может служить эместрин, выделенный из экстракта мицелия Emericella striata (грибка, в свою очередь выделенного из тмина) и содержащий в своем составе дисульфидный мостик, а также продукт его восстановительного метилирования, содержащий два сульфидных фрагмента [35]. На данный момент метод ПД, так же, как и ПИ, практически не используется.

Позже для анализа органических соединений начал использоваться метод масс-спектрометрии вторичных ионов (МСВИ). В этом варианте образец в конденсированном состоянии наносится на специальную поверхность, например, серебряную или стеклянную, и «обстреливается» сфокусированным пучком первичных высокоэнергетических ионов, в результате чего с поверхности десорбируются вторичные ионы, которые далее направляются в масс-анализатор. Изобретателем статического варианта МСВИ А. Беннингховеном [36] были легко получены масс-спектры множества аминокислот, пептидов, витаминов, лекарственных веществ, среди которых фигурировали цистеин, метионин, цистин и биотин. Во всех спектрах наблюдалась слабая фрагментация анализируемых молекул [37]. Американскими учеными было проведено исследование гомополимеров 16 аминокислот с выявлением пиков ионов, характерных для определенных соединений. В частности, для полимера метионина были определены уникальные для метода пики как положительно, так и отрицательно заряженных ионов [38]. Данный метод используется и в настоящее время для исследования распределения субстрата по поверхности; при этом применяют пучки не атомарных (Cs+, Ar+), а кластерных первичных ионов, таких как Сбо+. Этим способом было изучено распределение авидин-биотиновых агрегатов на модифицированных силаном стеклянных подложках. Взаимодействие авидина и биотина является одной из наиболее распространенных стратегий связывания биомолекул, таких как ферменты или антитела, с поверхностями и имеет большое значение для клеточной и тканевой инженерии [39]. Усовершенствованная технология МСВИ позволяет также проводить 3D-визуализацию поверхности. Она была применена, например, при изучении распределения антибиотиков тетрациклина и серосодержащего ампициллина в клетках бактерий Escherichia coli [40].

Определенный интерес представляет метод 252Cf плазменной десорбции, о разработке которого сообщили Р. Макфарлейн и Д. Торгерстон в 1974 году [41]. Он основан на облучении твердого образца, нанесенного на никелевую или алюминизированную нейлоновую фольгу, высокоэнергетическими продуктами

самопроизвольного распада ядер 252С£ Попадающие на фольгу осколки моментально нагревают образец до 10000 К без термического разложения, вследствие чего происходит его десорбция и ионизация. Метод 252Cf плазменной десорбции вполне применим к анализу малых серосодержащих соединений, к примеру, таких как метионин и цистеин [42]. Однако особую популярность метод приобрел в анализе больших (с массами, превышающими 1000 Да) и нелетучих объектов, таких как пептиды и протеины. Так, с его помощью был подробно проанализирован низин - антибиотик полипептидного строения, содержащий 5 тиоэфирных мостиков и метиониновый фрагмент. В масс-спектрах наблюдается интенсивная фрагментация или же только пик молекулярного иона в зависимости от выбранного способа пробоподготовки [43]. Также метод плазменной десорбции хорошо зарекомендовал себя как подходящий инструмент для определения положения дисульфидных мостиков в протеинах [44, 45]. В настоящее время метод 252Cf плазменной десорбции оказался значительно вытеснен другими методами ионизации.

Широкое распространение в свое время получил предложенный М. Барбером в 1981 году метод бомбардировки быстрыми атомами (ББА), в котором образец смешивается с жидкой матрицей (например, глицерин или тиоглицерин), наносится на мишень и в вакууме подвергается воздействию пучка атомов с высокой кинетической энергией [46]. В спектрах регистрируются пики ионов типа [M+H]+ и [М-И]-, некоторых осколочных ионов, а также пики, относящиеся к матричным соединениям. С его помощью было проведено множество исследований серосодержащих соединений, причем была показана возможность получения дополнительной информации к данным, установленным при использовании других методов ионизации. Метод ББА был использован для анализа циклических олигомеров с молекулярной массой до 1500 Да, образующихся в результате реакций поликонденсации, проводимых для получения алифатических, ароматических и алифатико-ароматических полисульфидов (рис. 1.2). В регистрируемых масс-спектрах не наблюдались пики осколочных ионов, а пики молекулярных ионов олигомеров отстояли друг от

друга на расстояние, соответствующее массе определенного количества звеньев в цепи [47].

Рисунок 1.2. Структуры анализируемых методом ББА циклических олигомеров.

С использованием метода ББА были установлены структуры большого количества серосодержащих алкалоидов, например, выделенных из асцидий вида Ы88осИпит, собранных на Большом Барьерном рифе в Австралии. Исходя из комплекса полученных спектроскопических данных, включающих масс-спектры ББА высокого разрешения, спектры ЯМР 1Н и 13С и ИК-спектры, было установлено строение новых иминохинонов лиссоклин А и В, содержащих метилтио-группу, и замещенных бензолов лиссоклинотоксин С с двумя метилтио-группами и Э, являющегося димером лиссоклинотоксина С (рис. 1.3) [48].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Козлов Антон Вячеславович, 2021 год

Литература

Характеристика

Н 1 ]п

2-Иодо-#-додецилацетамид

[117]

Аналогичный эффект; отклик по определенным пептидам может увеличиваться более чем в 2000 раз.

п = 10

п = 1,2,4

2-Иодо-#-(4-фенилалкил) ацетамид

[117]

Значительно увеличивает время удерживания и отклик по дериватизированному пептиду при анализе с помощью ВЭЖХ/ИЭР-МС. Наиболее оптимальный реагент - 2-иодо-#-(4-фенилбутил)ацетамид.

Иодоацетанилид

[118]

При использовании с 13С-меченным аналогом возможен количественный анализ цистеинсодержащих пептидов.

2,4-

Дихлорбензилиод ацетамид

[119]

Высокоточное определение цистеинсодержащих пептидов за счет появления в масс-спектрах пиков изотопных кластеров, обусловленных атомами хлора.

2,4-Дибром-(2'-иодо)ацетанилид

[120]

Вг

Аналогичный эффект за счет присутствия атомов брома. Увеличение гидрофобности и точности определения.

Структура Название Литература Характеристика

X = N14; 0 1-(Ж, #-диэтиламино)-3-иодоацет [амидо -/ окси-]пропан [121] Повышают чувствительность детектирования цистеинсодержащих пептидов в 2-40 раз. Производное на основе иодуксусной кислоты менее подвержено фрагментации в условиях ДИС, чем производное на основе иодоацетамида.

©1 X = N14; 0 \ Иодид 3-иодацет [амидо-/ окси-] пропил триэтиламмония [121] Повышают чувствительность детектирования цистеинсодержащих пептидов в 3-120 раз.

0 «-к |в; Т Иодид 8-иодацетокси- 3,6-диоксаоктил триметиламмония / 8-Гуанидино-1-иодацетокси -3,6-диоксаоктан [121] Повышают чувствительность детектирования цистеинсодержащих пептидов в 11 -220 раз; производное с аммониевой группой -эффективнее, чем с гуанидиновой.

6

Структура Название Литература Характеристика

О ^^ N ^^ 14^ е и Метилсульфат (3-(Ы-хлорацетамидо) пропил) триметиламмония [122] Повышает эффективность ионизации цистеинсодержащих пептидов, но фрагментация в условиях ДИС не характеристична.

О н © ©| Вг Бромид (3-(Ы-иодоацетиламидо) пропил) диметилсульфония [122] Повышает эффективность ионизации цистеинсодержащих пептидов. При ДИС наблюдается характеристичный отрыв диметилсульфида, позволяющий селективно идентифицировать исследуемые пептиды.

0 К = СН3; ■ X ^ (СН2)3СН3; (СН2)5СН3 н е Вг Бромид 1-(3-((2-иод-1-оксоэтил)амино) пропил)-3-алкилимидазолия [123] Значительно повышает гидрофобность и эффективность ионизации цистеинсодержащих пептидов (наилучшие показатели при Я = (СИ2)5СИ3). Высокая стабильность получаемых производных.

7

Структура Название Литература Характеристика

¡г" N К = сн3; (СН2)3СН3 н ] О вг Бромид 1-(3-((2-иодо-1 -оксоэтил) амино)пропил)-4 -[метил-/пропил-] пиридиния [124] Повышает эффективность ионизации и гидрофобность модифицируемых пептидов сильнее, чем при использовании имидазолиевой метки ([123]).

с О с X X /0 X У н 1 X Х уР X = Н; Р Изотопно-кодированная аффинная метка (1САТ) [6] Комбинированный реагент для анализа цистеинсодержащих пептидов. Биотиновая группа обеспечивает разделение пептидов с помощью аффинной хроматографии на авидиновой колонке. Полиэфирный линкер может быть как обычным, так и меченным дейтерием, что используется для определения относительного содержания пептидов в смеси.

0 О В г Монобромобиман [125] Классический реагент, ранее использовавшийся для анализов методом флуоресцентной спектроскопии. Расширяется его применение в сочетании с масс-спектрометрией.

8

Структура Название Литература Характеристика

© в Г ^^©^ ВГ Бромид (2-бромэтил) триметиламмония [126] Повышает эффективность ионизации цистеинсодержащих пептидов. Способствует проведению анализа с расщеплением пептидов карбоксипептидазой.

сг ^^ ^ 2-Хлор-#Д- диметилэтиламин гидрохлорид [127] При дериватизации цистеиновых остатков облегчается процедура секвенирования с использованием метода диссоциации при переносе электрона.

Г СХ° к«0 /К н 4-(Диметиламиноэтиламино сульфонил)-7-хлор-2,1,3-бензоксадиазол / Хлорид 7-хлор-2,1,3-бензоксоксадиазол-4-сульфониламиноэтил триметиламмония [128] Значительно повышают эффективность ионизации цистеин-содержащих пептидов.

9

Структура Название Литература Характеристика

1 О Вг® и Бромид ю-бромоацетонил хинолиния [129, 130] В сочетании с изотопно-меченным аналогом используется для количественного анализа всевозможных тиолов в различных средах. Реакция проходит за 3 минуты. Заметно увеличивается эффективность ионизации.

РИ е ® 1 1 РИ Иодид (4-иодобутил) трифенил фосфония [7, 131] Благодаря своей структуре реагент способен проникать через липидные слои в митохондрии, поэтому удобен для дериватизации цистеинсодержащих митохондриальных белков. Для количественных определений применяется изотопно -меченный аналог.

II. Реагенты на основе Ы-замещенных малеимидов № I*1 м ^вн и Типичная реакция: ^

1Л О

Структура Название Литература Характеристика

0 Л _/ N—' ч #-этилмалеимид [5, 132] Самый распространенный реагент такого типа. В сочетании с дейтерированным производным используется для количественного анализа. При недостаточном соблюдении оптимальных условий при дериватизации пептидов может наблюдаться протекание нежелательных побочных процессов [133].

Ж V 1 4-Диметиламино фенилазофенил-4'-малеимид [134] Модифицированные цистеинсодержащие пептиды легко идентифицируются по уникальной картине фрагментации, наблюдаемой в масс-спектрах при анализе методом МАЛДИ с использованием а-циано-4-гидроксикоричной кислоты в качестве матрицы.

0 л N-(2-ферроценэтил) малеимид (БЕМ) [135, 136] Может применяться для анализа биогенных тиолов методом ВЭЖХ/ИЭР-МС как с использованием электрохимической ячейки между хроматографом и масс-спектрометром, так и стандартно с привлечением тандемной масс-спектрометрии.

1Л

Структура Название Литература Характеристика

1 V4* 0 (2- Малеимидоил)этиламид ферроценкарбоновой кислоты (FMEA) [136] В сочетании с FEM позволяет анализировать не только тиолы, но и дисульфиды методом ВЭЖХ/ИЭР-МС.

о /=\ cV Я Л wf0 vJ Акридон- Ю-этил-N-малеимид [137] Повышает гидрофобность дериватизированных тиолов и эффективность ионизации. В сочетании с дейтерированным аналогом возможно проведение количественного анализа.

о I ч •„ Хлорид N-2-(малеимидилэтил) триметиламмония [138] Повышает чувствительность при определении тиолов в 15 раз. Обеспечивает получение стабильных производных и короткое время анализа.

Бромид 1-[3-(4-малеимидилфенокси) пропил] триметиламмония [139] Увеличивает интенсивность сигнала в масс-спектрах дериватизированных пептидов с гидрофильными свойствами в 3-5 раз, а менее полярных - более чем в 100 раз.

1Л N)

Структура Название Литература Характеристика

| МеО-^^ \ ©| VI еО /М^ .ОМе 0 I Т Т^ Гексафторфосфат 9-(2,6-диметоксифенил)-10-(2-малеимидилэтил)- 1,8 -диметокси-9,10-дигидроакридин-9-илия [140] Повышает эффективность ионизации дериватизированных тиолов; за счет большой массы выводит пики целевых ионов в менее зашумленную область масс-спектра при анализе методом МАЛДИ-МС.

III. Реагенты, содержащие активированную двойную связь 1*—ЭН 8 Типичная реакция: X X

О X Х= Н; О X Акриламид [141] Наиболее распространенный реагент такого типа. В сочетании с дейтерированным производным используется при количественном анализе. В неоптимальных условиях при дериватизации цистеинсодержащих пептидов могут протекать побочные реакции [142].

1Л 3

Структура Название Литература Характеристика

Гл 2- / 4-Винилпиридин [143] Исключительная селективность по отношению к сульфгидрильной группе как при нейтральных, так и щелочных значениях pH. В сочетании с дейтерированным производным используется для количественного анализа. Отмечена общая низкая реакционная способность [133].

0 СМ 11 СНСА: Р., = И]Н2 = ОН 3-НССА: Р-1 = ОН; Н2 = Н а-Циано-[4-/3-] гидроксикоричная кислота (CHCA/3-HCCA) [144] Выполняют функции дериватизационной матрицы для метода МАЛДИ. Реакция с тиолами проводится непосредственно на мишени, что сокращает время пробоподготовки.

Н Замещенные алленамиды [145] Высокая селективность при модификации цистеиновых остатков в пептидах. Реакция дериватизации необратима, проходит быстро, а получаемые производные очень стабильны.

о Фенилвинил сульфон [146] Хорошо подходит для обнаружения тиолов в нефти с помощью метода ИЭР.

1Л

4

Структура Название Литература Характеристика

0 К = Ме, РИ 0 Х = 0, 1ЧН Этил-3-[ацетил-/ бензоил-]акрилат / #-этил-4-оксо-4-фенилбут-2-енамид [147] Высокая селективность при модификации цистеиновых остатков в пептидах. Реакция дериватизации проходит быстро и в мягких условиях, а получаемые производные очень стабильны.

© 0 1 н Хлорид (3-акриламидо пропил) триметиламмония [148, 149] Повышает эффективность ионизации цистеинсодержащих пептидов. Способствует эффективному удерживанию на ионообменной колонке при разделении пептидов, а также проведению секвенирования с использованием метода диссоциации при переносе электрона.

он о и \ "2 е \\ Г 1,4-Гидрохинон / 2-[Метил-/метокси-/карбоксиметил-] 1,4-гидрохинон [150, 151] С помощью специальных электродов производится электрохимическое окисление замещенных гидрохинонов до бензохинонов, которые далее вступают в реакцию с цистеиновыми остатками. Разработаны методики, позволяющие детектировать получаемые таким образом продукты как методом ИЭР, так и МАЛДИ.

- 2 Н+ ОН 0 К = Н, Ме, ОМе, СООМе

1Л 5

IV. Ртутъсодержащие реагенты к х На 1*—БН-► в-' нх Типичная реакция: "

Структура Название Литература Характеристика

О /ОН 4- Гидроксимеркури бензоат [152-154] Наиболее типичный реагент такого вида. Реагирует быстро и селективно. Используется при анализе как цистеинсодержащих пептидов, так и низкомолекулярных тиолов (биологических и других типов). Из -за стерических препятствий может реагировать не со всеми цистеиновыми остатками в пептиде. Обладает повышенной токсичностью, присущей всем соединениям ртути.

Нд 14 = Ме; Хлорид [метил-/ этил-]ртути [155] Успешно дериватизируют любые, даже близко расположенные сульфгидрильные группы в пептидах. Аналогичный недостаток в виде токсичности.

1Л 6

V. Реагенты на основе дисульфидов к' Э . Г*—БН-► р. ои КО Типичная реакция: " °п

Структура Название Литература Характеристика

О ^ Б п гг > N02 5,5'-Дитиобис-(2-нитробензойная кислота) (реактив Эллмана) [156] Классический реагент, ранее использовавшийся для обнаружения тиолов с помощью спектрофотометрии. Может применяться и в сочетании с масс-спектрометрией с «мягкой» ионизацией.

гг! X 4,4'- Дитиодипиридин [157, 158] Реакция проходит в кислой среде, характерной для вин, поэтому реагент используется для обнаружения в них тиолов. В условиях ИЭР происходит протонирование остатков пиридина, что повышает эффективность ионизации.

1Л 7

Структура

Название

Литература

Характеристика

р®р1,3 ^

©

^ © РИ3Р'

Гексафторфосфат (((дисульфандиил бис(метилен))бис (4,1 -фенилен))бис (метилен))бис (трифенилфосфония)

[159]

Повышает эффективность ионизации модифицируемых тиолов. Характеристичная фрагментация способствует идентификации аналитов с помощью тандемной масс-спектрометрии.

н

Н

VI. Реагенты с цианогруппой

Р—

Типичная реакция:

о

РН ^

н

1?-МН'

+

НМ

14'

н

н

С

СНс

2-Нитро-5-тиоциано бензойная кислота

[160]

Последовательное цианилирование и образование характерных иминотиазолидиновых циклов позволяет получать удобный признак при масс-спектрометрическом определении положения остатков цистеина в пептидах и их секвенировании. Реакция занимает продолжительное время, возможно протекание побочных процессов.

Структура Название Литература Характеристика

® ___ ы Тетрафторборат 1-циано-4-диметиламино пиридиния [161, 162] Более селективный и удобный реагент такого типа. При тщательном подборе pH, времени, температуры реакции, а также нуклеофилов для проведения циклизации эффективность агента можно значительно повысить.

VII. Селенсодержащие реагенты Я 8Н + -- + НМС"2 Типичная реакция:

0 гГ^чД /ри N1—Эе 0 #-(фенилселено) фталимид [163] Исключительная селективность по отношению к сульфгидрильной группе. Характерное изотопное распределение в масс-спектрах за счет атома Se и устойчивые закономерности фрагментации получаемых производных в условиях ДИС облегчают их анализ.

0 Н—РИ 2-Фенил-1,2-бензизоселенозол -3(2Н)-он (Эбселен) [163-166] Более популярный реагент такого типа, обладающий повышенной реакционной способностью. Реакции с тиолами проходят за несколько секунд при комнатной температуре.

1Л 9

VIII. Реагенты других видов н3со н3со Гк<—- гм + нЬ >=М 0 )—N 0 Реакция с ДММСП: Нзсо нзсо

Структура Название Литература Характеристика

Х3СО Х = Н;0 ГуХ >=м 0 Х3СО 4,6-Диметокси-2-(метилсульфонил) пиримидин (ДММСП) [167] Повышает эффективность ионизации цистеинсодержащих пептидов. В сочетании с дейтерированным производным возможно проведение полуколичественного анализа.

Реакция с о-фталевым альдегидом и этаноламином: ^ О "Х^н 1*—эн ОН 1 в /ОН СкЦ но

О ^н . 2 Н20 О

0 ^ЛнН0\ ( 1 МН2 О орто-Фталевый альдегид; этаноламин [168] Ранее реакция применялась для обнаружения тиолов методом ВЭЖХ с флуоресцентным детектированием, но подходит и для масс-спектрометрического анализа, в том числе количественного.

СП

о

Каждый из представленных в данном разделе реагентов для дериватизации тиолов обладает своими достоинствами и недостатками и подходит для решения определенного круга задач. Их эффективность зависит от природы аналитов, условий проведения исследований, использованного масс-спектрометрического оборудования и других факторов. Список реагентов и вариантов их применения продолжает расширяться. Их разработка, а также изучение свойств как реагентов, так и получаемых производных остается актуальной задачей, которую необходимо решать для эффективного использования в различных областях химических исследований и, в частности, в протеомике, пептидомике, метаболомике.

Рассмотренные в обзоре дериватизационные подходы, выступающие как предварительный этап для последующего исследования органических сульфидов и тиолов методами масс-спектрометрии с «мягкими» способами ионизации, свидетельствуют о перспективности превращения их в сульфониевые соли. Однако принципы применения такого превращения в общем виде не были обоснованы и рассмотрены ранее. В литературе можно встретить лишь ограниченные сведения о распаде четно-электронных сульфониевых катионов, полученных на базе тиацикланов. Совершенно не был рассмотрен вопрос о влиянии размера, природы и региоизомерии алкилтиацикланов на ДИС, что необходимо при структурных отнесениях. Специально не изучались особенности фрагментации бис-сульфониевых солей. Многие такие вопросы были изучены в рамках настоящей диссертации на примере широкого круга алифатических, моно-и бициклических, алкилароматических сульфидов и разнообразных тиолов, а также ^-алкилирующих агентов. Для экспериментальных исследований были выбраны масс-спектрометрические методы ИЭР и МАЛДИ, которые близки по типу ионообразования, а первичные ионы, генерируемые обоими этими методами, как правило, имеют идентичное строение и аналогичный распад при активации соударениями.

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 2. 1. Исходные вещества и материалы

В качестве модельных веществ, с помощью которых были проведены методологические исследования, в большинстве случаев использовали сульфиды и тиолы, синтезированные и охарактеризованные ранее в ИНХС РАН [169], а также коммерчески доступные соединения, приобретенные у компании Aldrich Chemical Co. (США) (некоторые тиолы, дибензтиофен и тиантрен) (Табл.2.1). Согласно анализам методом ГХ/МС чистота синтезированных в ИНХС веществ составляла не менее 90%.

Для исследования была взята также фракция тиацикланов, выделенная из нефти [170].

Таблица 2.1. Использованные модельные соединения.

№ Название Формула Молекулярная масса, Да

1 2-Тиабицикло[4.4.0]декан С Y^) 156

2 3 -Тиабицикло [4.4.0]декан 156

3 3-Метил-2-тиабицикло[4.4.0]декан а 170

4 4-Метил-2-тиабицикло[4.4.0]декан а 170

№

Название

Формула

Молекулярная масса, Да

5

4-Метил-3-тиабицикло[4.4.0]декан

170

6

3-Пропил-2-тиабицикло[4.4.0]декан

198

7

4-Пропил-2-тиабицикло[4.4.0]декан

198

8

4-Пропил-3-тиабицикло[4.4.0]декан

198

9

7-Тиабицикло[4.3.0]нонан

158

10

8-Тиабицикло[4.3.0]нонан

172

11

8-Метил-7-тиабицикло [4.3.0]нонан

186

12

7-Метил-8-тиабицикло [4.3.0]нонан

200

№ Название Формула Молекулярная масса, Да

13 8-н-Пропил-7-тиабицикло [4.3.0]нонан 214

14 7-н-Пропил-8-тиабицикло [4.3.0]нонан Б 228

15 4-Метилтиан 116

16 2-Метилтиан 116

17 2-Фенилтиолан ОЧ") 164

18 3-Фенилтиолан £ 164

19 Ди(н-децил)сульфид с10н21 с10н21 314

№

Название

Формула

Молекулярная масса, Да

20

Дибензилсульфид

214

21

Бензилфенилсульфид

200

22

Дибензтиофен

184

23

Тиантрен

216

24

1-Октантиол

л-С8Н175Н

146

25

1-Додекантиол

л-С12Н258Н

202

26

Тиофенол

110

27

Бензилтиол

к^1

124

28

2-Фенилэтантиол

138

№ Название Формула Молекулярная масса, Да

29 2-Тионафтол О ^БН 160

30 2-Аминотиофенол П к^Чн мн2 125

31 2-Меркаптопиридин п 111

32 2-Меркаптоэтанол НО. ^^ БН 78

33 1-Тиоглицерин НО^^^^БН ОН 108

34 2-(4- (Меркаптометил)фенил) уксусная кислота НО^к^ С 182

35 Цистеин, метиловый эфир 0 МН2 135

36 1,2-Этандитиол ^^ БН 94

В качестве дериватизирующих веществ использовали коммерчески доступные соединения (табл. 2.2).

Таблица 2.2. Реагенты, использованные для химической модификации сульфидов и тиолов.

№ Торговое название Молекулярная масса, Да Производитель

37 1-Бромпропан 123 Alfa Aesar, Великобритания

38 1-Бромгексан 165 Alfa Aesar, Великобритания

39 1-Бромундекан 235 Alfa Aesar, Великобритания

40 1 -Бромгексадекан 305 Alfa Aesar, Великобритания

41 1 -Хлор-2-фенилэтан 140 Aldrich Chemical Co., США

42 Иодметан 141 RSC Applied Chemistry, Россия

43 Иодэтан 155 RSC Applied Chemistry, Россия

44 Тридейтероиодметан 144 RSC Applied Chemistry, Россия

45 2,2,2-Тридейтероиодэтан 158 RSC Applied Chemistry, Россия

46 Пентадейтеробромэтан 114 RSC Applied Chemistry, Россия

№ Торговое название Молекулярная масса, Да Производитель

47 Тетрафторборат триметилоксония 148 Acros Organics, Бельгия

48 Тетрафторборат триэтилоксония 162 Acros Organics, Бельгия

49 1,2-Дибромэтан 188 Acros Organics, Бельгия

50 1,3-Дибромпропан 202 Alfa Aesar, Великобритания

51 1,4-Дибромбутан 216 Alfa Aesar, Великобритания

52 1, 12-Дибромдодекан 328 Acros Organics, Бельгия

53 1,2-Бис(бромметил)бензол 264 Alfa Aesar, Великобритания

54 1,3-Бис(бромметил)бензол 264 Alfa Aesar, Великобритания

55 1,4-Бис(бромметил)бензол 264 Fluorochem, Великобритания

56 4,4'-Бис(бромметил)-1,1'-бифенил 340 Aldrich Chemical Co., США

57 1,3,5-Трис(бромметил)бензол 357 Aldrich Chemical Co., США

В работе использовали вспомогательные вещества: гидроксид и перхлорат натрия, а также растворители: ацетонитрил, хлористый метилен и тетрагидрофуран, имеющие марку ХЧ (Химмед, Россия). В качестве компонентов подвижной фазы для ВЭЖХ использовались абсолютный ацетонитрил и 0,1%-ный раствор муравьиной кислоты в деионизованной воде, имеющие марку HPLC Grade (Merck, Германия). В качестве традиционных матриц при исследованиях методом МАЛДИ использовали 2,5-дигидроксиацетофенон (DHA) и 1,8,9-антрацентриол (AT) (Aldrich Chemical Co., США).

2. 2. Химическая модификация аналитов и пробоподготовка для масс-

спектрометрического анализа

2. 2. 1. Алкилирование сульфидов моногалогеналканами

Смесь сульфида (0,04 ммоль), моногалогеналкана (37-41) (0,04 ммоль) и небольшого количества перхлората натрия в минимальном количестве ацетонитрила перемешивали на шейкере при 70 °С в течение 2 ч.

Реакционные смеси анализировали методом ГХ/МС для установления полноты реакции, а затем без дополнительной очистки исследовали масс-спектрометрическими методами МАЛДИ и ИЭР (см. ниже).

2. 2. 2. Алкилирование сульфидов иодалканами

Смесь сульфида (0,04 ммоль) и иодалкана (42-46) (0,04 ммоль) в минимальном количестве ацетонитрила перемешивали на шейкере при 70 °С в течение 2 ч.

Дальнейшее исследование реакционной смеси проводили так же, как в разделе 2. 2. 1.

2. 2. 3. Алкилирование сульфидов тетрафторборатами триалкилоксония

Смесь сульфида (0,04 ммоль) и тетрафторбората триметил- (47) или триэтилоксония (48) (0,04 ммоль) в минимальном количестве хлористого метилена перемешивали на шейкере при 30 °С в течение 24 ч.

Дальнейшее исследование реакционной смеси проводили так же, как в разделе 2. 2. 1.

2. 2. 4. Алкилирование сульфидов дибромалканами

Смесь сульфида (0,08 ммоль), дибромалкана (49-56) (0,04 ммоль) и небольшого количества перхлората натрия в минимальном количестве ацетонитрила перемешивали на шейкере при 70 °С в течение 24 ч.

Дальнейшее исследование реакционной смеси проводили так же, как в разделе 2. 2. 1.

2. 2. 5. Алкилирование сульфидов 1,3,5-трис(бромметил)бензолом

Смесь сульфида (0,12 ммоль), 1,3,5-трис(бромметил)бензола (57) (0,04 ммоль) и небольшого количества перхлората натрия в минимальном количестве ацетонитрила перемешивали на шейкере при 70 °С в течение 24 ч.

Дальнейшее исследование реакционной смеси проводили так же, как в разделе 2. 2. 1.

2. 2. 6. Алкилирование тиолов моногалогеналканами

Смесь тиола (0,04 ммоль), моногалогеналкана (37, 42) (0,09 ммоль) и гидроксида натрия (0,05 ммоль) в минимальном количестве ацетонитрила перемешивали на шейкере при 70 °С в течение 2 ч.

Дальнейшее исследование реакционной смеси проводили так же, как в разделе 2. 2. 1.

2. 2. 7. Алкилирование тиолов тетрафторборатами триалкилоксония

Смесь тиола (0,04 ммоль), тетрафторбората триметил- (47) или триэтилоксония (48) (0,09 ммоль) и гидроксида натрия (0,05 ммоль) в минимальном количестве хлористого метилена перемешивали на шейкере при 30 °С в течение 2 ч.

Дальнейшее исследование реакционной смеси проводили так же, как в разделе 2. 2. 1.

2. 2. 8. Алкилирование тиолов дибромалканами

Смесь тиола (0,04 ммоль), дибромалкана (49-53) (0,05 ммоль) и гидроксида натрия (0,05 ммоль) в минимальном количестве ацетонитрила перемешивали на шейкере при 70 °С в течение 2 ч.

Дальнейшее исследование реакционной смеси проводили так же, как в разделе 2. 2. 1.

2. 2. 9. Обработка образцов для анализа методом масс-спектрометрии МАЛДИ

По окончании соответствующей реакции дериватизации 20 мкл реакционной смеси без дополнительной очистки смешивали с 20 мкл матрицы, растворенной в тетрагидрофуране (DHA - в случае модифицированных сульфидов и AT - в случае модифицированных тиолов), наносили на стальную мишень и высушивали, а затем регистрировали масс-спектр МАЛДИ. При анализе с применением мишени с наноструктурированной поверхностью реакционную смесь наносили без очистки и добавления матрицы и высушивали.

2. 2. 10. Обработка образцов для анализа методом масс-спектрометрии

ИЭР

По окончании соответствующей реакции 1 мкл реакционной смеси без дополнительной очистки отбирали в стеклянную виалу объемом 1,5 мл с

политетрафторэтиленовым уплотнителем и смешивали с 1000 мкл абсолютного ацетонитрила, после чего помещали виалу в автосэмплер.

2. 3. Оборудование и условия измерения масс-спектров

Масс-спектры МАЛДИ и соответствующие спектры ДИС (далее по тексту альтернативно могут называться и как МС/МС-спектры) регистрировали на масс-спектрометре Bruker Autoflex speed (Bruker Daltonics Inc., Германия), оснащенном твердотельным УФ-лазером с длиной волны X = 355 нм и рефлектроном, в режиме регистрации положительно заряженных ионов. Для регистрации масс-спектров МАЛДИ использовали стальную мишень MTP 384 ground steel, а для регистрации масс-спектров с наноструктурированной поверхности - мишень MSP 96 NALDI (Bruker Daltonics Inc., Германия). Энергия лазера подбиралась для каждого образца индивидуально, частота облучения - 50 Гц. Конечные масс-спектры представляли собой сумму данных, полученных при 10 последовательных облучениях. Масс-спектры ДИС получали в условиях активации соударением (газ активации - аргон). Для сбора и обработки данных использовали программный комплекс Bruker Compass for flexSeries 1.4.

Масс-спектры ИЭР и соответствующие спектры ДИС регистрировали на масс-спектрометре Shimadzu LCMS-8040, оснащенном тройным квадрупольным масс-анализатором. Образец в абсолютном ацетонитриле вводили в масс-спектрометр минуя хроматографическую колонку либо через колонку с обращенной фазой Chromolith HighResolution RP-18 (50 мм х 4,6 мм, размер микропор 2 мкм, размер мезопор 130 Á) (MilliporeSigma, Германия). Подвижная фаза состояла из смеси ацетонитрила (50%) и воды (50%). Масс-спектры ДИС получали в условиях активации соударением (газ активации - аргон) при номинальной энергии 20 и 30 эВ. Для сбора и обработки данных использовали программный комплекс Lab Solutions.

Полноту прохождения реакций проверяли методом ГХ/МС на хроматомасс -спектрометре Thermo Focus DSQ II (ионизация электронами с энергией 70 эВ; хроматографическая кварцевая капиллярная колонка со стационарной фазой SE-

54 длиной 30 м; программирование температуры от 30 до 250 оС со скоростью 10 оС/мин).

Дериватизацию образцов проводили с использованием термошейкера TS-100 (Biosan, Латвия).

Для взвешивания образцов использовались электронные весы Е11140 (OHAUS, США).

Глава 3. ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

3. 1. Обоснование необходимости дериватизации органических сульфидов и тиолов для исследования их структуры и анализа методами масс-спектрометрии с «мягкими» способами ионизации (МАЛДИ и ИЭР)

Органические сульфиды и тиолы достаточно широко распространены среди различных специально синтезируемых соединений, а также природных объектов, присутствующих в живых организмах и каустобиолитах. Соединения такого типа ранее исследовали при помощи масс-спектрометрических методов с ионизацией электронами и химической ионизацией. С появлением новых высокоэффективных низкоэнергетических методов ионизации, таких как МАЛДИ и ИЭР, возникла необходимость выяснения их структурно-аналитических возможностей в ряду различных диалкил-, диарил-, ди(циклоалкил), аралалкил-, арил(циклоалкил)-, алкил(циклоалкил)сульфидов, а также тиолов. Прямой анализ таких соединений этими масс-спектрометрическими методами затруднен из-за низкой полярности и, соответственно, низкой эффективности ионизации сульфидов и тиолов, молекулы которых, как правило, не подвергаются протонированию, депротонированию или катионированию, то есть процессам, лежащим в основе названных «мягких» масс-спектрометрических методов.

Одним из вариантов решения данной проблемы является предварительная химическая модификация (дериватизация) молекул сульфидов и тиолов. В широко распространенной аналитической практике применения масс-спектрометрии МАЛДИ и ИЭР используется два основных варианта дериватизации, основанных на присоединении группы, имеющей высокое сродство к протону, либо на введении в молекулу фрагмента с фиксированным зарядом. Первый способ приводит к производным, способным легко присоединять протон или катион в данных масс-спектрометрических условиях. В случае второго подхода к аналиту добавляется остаток с уже заготовленной заряженной группой, которая обеспечивает легкую десорбцию иона под действием лазерного излучения или при электрораспылении. Формирующиеся в

последнем варианте реакций солеобразные продукты обладают резко пониженной летучестью, что очень удобно в случае МАЛДИ, где удается избежать потери анализируемого вещества в процессе введения его в высоковакуумную область ионизации масс-спектрометра. К примеру, такой подход применялся при анализе различных спиртов и фенолов, а также олигомерных полиэтилениодидов методом МАЛДИ и включал в себя превращение аналитов в производные, содержащие кватернизованную аммонийную группу [171-173].

В случае сульфидов и тиолов наиболее простым способом введения заряженного фрагмента представляется алкилирование по атому серы с образованием соответствующих сульфониевых солей. Положительный заряд при этом образуется непосредственно в процессе реакции на ^-гетероатоме, входящем в состав аналита. Такой вид химической модификации был назван нами «дериватизацией с генерацией заряда» [174-177]. В главе 1 рассмотрены некоторые примеры применения подобной методологии (например, модификация метиониновых звеньев в пептидах специальной меткой и алкилирование серосодержащих гетероциклов из нефтяных фракций). Они представляют собой довольно узконаправленные исследования, решающие конкретные специализированные задачи. Систематического же изучения сульфониевых солей, получаемых из различных сульфидов и тиолов, масс-спектрометрическими методами МАЛДИ и ИЭР, не проводилось. В частности, не исследовалось влияние их структуры и региоизомерных эффектов на фрагментацию в условиях тандемной масс-спектрометрии. Поэтому в данной работе мы изучили возможность применения различных реагентов для алкилирования сульфидов и тиолов в целях дальнейшего анализа получаемых сульфониевых солей масс-спектрометрическими методами на основе МАЛДИ и ИЭР и изучения их поведения в условиях диссоциации, индуцируемой соударением (ДИС).

3. 2. Дериватизация сульфидов с получением моносульфониевых солей и особенности их масс-спектров ИЭР и МАЛДИ

3. 2. 1. Получение моносульфониевых солей из сульфидов

Объектами первой части нашего исследования стали различные диалкилсульфиды, моно- и бициклические тиацикланы, их структурные изомеры, а также дибензтиофен и нефтяная сульфидная фракция. Существует довольно много способов превращения сульфидов в сульфониевые соли, например, с использованием первичных спиртов в присутствии 70%-ной водной хлорной кислоты [178], алкенов в присутствии протонных кислот [179], диазокетонов в присутствии хлорной кислоты [180]. Нами для дериватизации большинства анализируемых сульфидов был выбран наиболее простой и широко распространенный способ, заключающийся во взаимодействии с галогеналканами различного строения. В общем случае реакцию алкилирования проводили в присутствии перхлората натрия, что способствовало ее количественному прохождению (схема 3.1) [181].

МеСМ @

рГ^вг + И3На1 + N30104-сю4 + МаНа11

к к На1 = Вг; С1 к к

Схема 3.1. Типичная реакция превращения сульфидов в сульфониевые соли

Было отмечено, что иодалканы обладают реакционной способностью выше, чем другие галогениды. При проведении реакции с иодалканами перхлорат натрия не использовался вовсе, так как образующийся в результате иодид натрия хорошо растворим в ацетонитриле, что не способствует смещению равновесия в сторону продуктов реакции. В случае большинства из исследованных нами диалкилсульфидов и тиацикланов уже при перемешивании их с галогенидами также наблюдалось полное превращение субстратов в сульфониевые соли. Формирование целевых продуктов происходило как с низкомолекулярными галогеналканами, так и с обладающими значительной молекулярной массой,

такими как 1 -бромгексадекан. Использование последнего может быть удобным в случае МАЛДИ, поскольку за счет большого инкремента вводимой массы удается вывести пики целевых ионов получаемых производных из часто зашумленной области низких молекулярных масс.

Алкилирование таких ароматических систем как дибензтиофен требует более жестких условий. Как показано в ряде работ, такого типа нефтяные сульфиды под действием алкилгалогенидов удается превратить в сульфониевые соли только в присутствии тетрафторбората серебра [9, 105-107]. Однако такой метод может приводить к образованию побочных продуктов в виде комплексов с серебром, сигналы которых могут интерферировать с сигналами сульфониевых солей. Среди других способов получения сульфониевых солей из сульфидов такого типа можно выделить взаимодействие с тетрафторборатом О-метилдибензофурания [182] и с алкилформиатами в присутствии трифторметансульфокислоты [183]. В нашей работе в целях модификации соединений типа дибензтиофена, а также других сульфидов были использованы тетрафторбораты триметил- или триэтилоксония, обладающие повышенной алкилирующей способностью (схема 3.2).

3. 2. 2. Исследование масс-спектров МАЛДИ и ИЭР моносульфониевых солей, полученных из сульфидов

Продукты дериватизации всех исследуемых сульфидов смешивались в равном соотношении с матрицей в случае метода МАЛДИ либо растворялись в абсолютном ацетонитриле в случае метода ИЭР и подвергались анализу без дополнительной очистки. Масс-спектры сульфониевых солей, зарегистрированные в этих условиях ионизации, идентичны, отличаются простотой и содержат только пики, соответствующие катионным частям солей.

в © 0

+ А1к30 ВР4

дхм

А1к = СН3; СН2СН3

Схема 3.2. Реакция сульфидов с оксониевыми солями

Десорбция таких катионов легко протекает также и в условиях НАЛДИ, а именно с наноструктурированной поверхности мишени, образованной травленым кремнием. Обычно при использовании таких мишеней не требуется добавление матричного соединения, а десорбция ионов происходит по тепловому механизму [184]. Основная доля исследований все же проводилась нами с помощью варианта МАЛДИ, использующего обычную стальную мишень и представляющего собой более традиционный и распространенный метод. Массовые числа регистрируемых пиков катионов отвечают молекулярной массе сульфида, увеличенной на инкремент массы введенной алкильной или аралкильной группы (рис. 3.1).

Рис. 3.1. Масс-спектры продуктов алкилирования (а) дидецилсульфида (19) 1-бромгексадеканом (МАЛДИ), (б) 8-пропил-7-тиабицикло[4.3.0]нонана (13)

иодэтаном (ИЭР), (в) дибензтиофена (22) тетрафторборатом триметилоксония (НАЛДИ).

Особенностью алкилирования сульфидов, в которых при атоме серы имеется хотя бы одна бензильная группа, является возможность переалкилирования в процессе реакции (схема 3.3). В результате в регистрируемых масс-спектрах наряду с пиками ожидаемых ионов наблюдаются пики катионов, содержащих на одну 5-бензильную группу больше, чем в исходном сульфиде (рис. 3.2) [174].

£ ^ C16H33Br ^<

-► С15Н33 1 +

Схема 3.3. Сульфониевые соли, образующиеся при алкилировании

дибензилсульфида

500 m/z

Рис. 3.2. Масс-спектр (МАЛДИ) продукта алкилирования дибензилсульфида (20) 1-бромгексадеканом.

Предварительный анализ с помощью метода ГХ/МС нефтяной сульфидной фракции, выделенной из дистиллята нефти в ИНХС РАН [170], показал, что она состоит из трудноразделимой смеси циклических неароматических сульфидов, представляющих собой группы структурных изомеров (рис. 3.3).

Рис. 3.3. Хроматограмма по полному ионному току, полученная при исследовании нефтяной сульфидной фракции методом ГХ/МС-ИЭ.

После ее дериватизации 1-бромгексадеканом и анализа с помощью метода МАЛДИ по виду масс-спектра можно с уверенностью сказать, что фракция представлена алкилзамещенными тианами и тиоланами с молекулярными массами, равными 144, 158, 172 и 186 г/моль (рис. 3.4). По соотношению пиков ионов можно сделать однозначный вывод об относительном содержании сульфидов с определенными молекулярными массами в смеси. Таким образом, было показано, что при помощи данного метода можно экспрессно и эффективно проводить профилирование неароматических сульфидов в нефтяных фракциях. В то же время, установить изомерный состав сульфидов только по массам детектируемых ионов не удается.

Рис. 3.4. Масс-спектр (МАЛДИ) продукта алкилирования нефтяной сульфидной фракции 1-бромгексадеканом.

3. 2. 3. Особенности масс-спектров ДИС моносулъфониевых катионов, получаемых из тиацикланов

С практической и теоретической точки зрения важным является изучение распада катионов, которые могут экстрагироваться в условиях ИЭР и МАЛДИ из сульфониевых солей на основе тиацикланов. Наиболее приоритетной задачей представлялось выявление особенностей фрагментации структурных изомеров, так как различия в масс-спектрах ионизации электронами исходных тиацикланов в большинстве случаев носят количественный характер и недостаточно очевидны. Существует не так много работ, в которых изучалась фрагментация в условиях тандемной масс-спектрометрии сульфониевых катионов, и практически отсутствуют примеры исследования фрагментации солей циклических сульфидов. В качестве примера можно привести исследования восьми триалкилсульфониевых солей [14], а также солей дифенилмезитилсульфония и трифенил-4-фенилтиосульфония [15] методом полевой десорбции, симметричных триалкильных (Кз8+), диметилалкильных ((СНз)2ЯЗ+), дифенилалкильных (РИ2К8+), циклических ((С^^+Я) [16], аллил-замещенных и трибутилсульфониевой (н-Бщ8+) солей [17] методом бомбардировки быстрыми

атомами, а также двенадцати фенилсульфониевых солей с различными заместителями методом ионизации электрораспылением и масс-спектрометрии ионного циклотронного резонанса с преобразованием Фурье [18]. В некоторых случаях их фрагментация сравнивалась с наблюдаемой для аналогичных фосфониевых [14] и аммониевых [17] солей.

В нашем случае для такого исследования были использованы эксперименты с применением диссоциации, индуцируемой соударением (ДИС). Поскольку оба метода ИЭР и МАЛДИ приводят к десорбции сульфониевых катионов, очевидно имеющих одинаковую структуру, их фрагментация в условиях ДИС не будет зависеть от характера источников ионов. В то же время, при идентичном наборе пиков в МС/МС-спектрах могут наблюдаться некоторые количественные различия, обусловленные разным устройством частей приборов, в которых производится диссоциация соударением. Далее будет приведен пример подобных различий, но в большинстве случаев рассматриваемые данные будут относиться к МС/МС-спектрам, полученным методом ИЭР. Они регистрировались при номинальной энергии соударений 20 и 30 эВ. Однако последняя энергия в некоторых случаях была слишком высокой, и сульфониевые катионы-предшественники полностью разлагались. В результате в основной части работы мы изучали спектры ДИС, полученные при энергии соударений 20 эВ.

Согласно общим представлениям о МС/МС-спектрах катионов сульфония, они состоят практически только из пиков фрагментов катионного типа. Этот факт согласуется с «четно-электронным правилом», гласящим, что от катионов с четным числом электронов (положительно заряженных ионов) чаще всего отрываются только нейтральные молекулы. Во всех спектрах ДИС, зарегистрированных для сульфониевых катионов, в основном присутствуют серосодержащие фрагментные ионы только одного типа. Они образуются в результате расщепления связей S-C и C-C рядом с атомом серы и формально имеют структуру катионов сульфония Alk-S+=CHR (Р). Как будет показано ниже, это именно те ионы, появление, отсутствие, а иногда и интенсивность которых отражают структурные особенности региоизомеров. Стоит отметить, что нами не

устанавливалось наиболее вероятное строение ионов F, однако, судя по некоторым экспериментальным и теоретическим аргументам, приведенным в статье [185], они могут существовать в стабильной циклической тиираниевой форме, особенно в случаях, когда заместитель R представляет собой не водород, а алкильную группу.

Все остальные пики ионов в спектрах соответствуют катионам углеводородов, которые в основном образуются в результате первоначальных отрывов нейтральных молекул AlkSH от сульфониевых ионов-предшественников. Дальнейшая диссоциация образующихся углеводородных катионов происходит в результате отрыва алкенов (в основном с брутто-формулами C3H6, C4H8 и C5H10). Строение всех углеводородных ионов-продуктов описывается формулой [CnH2n-3]+ (m/z 67, 81, 95 для n = 5, 6, 7 и т.д.), причем в спектрах ДИС им соответствуют очень интенсивные пики (рис. 3.5). Точные структуры катионов также не устанавливались из-за отсутствия нужных термохимических данных.

При увеличении размера вводимой алкильной группы в МС/МС -спектрах также начинают появляться пики протонированных исходных сульфидов, обусловленные отрывом от сульфониевого катиона заместителя, присоединенного к атому серы. Интенсивность таких пиков растет с увеличением длины S-алкильного заместителя, а остальные закономерности фрагментации остаются прежними (пик с m/z 117 на рис. 3.6).

Рис. 3.5. МС/МС-спектры (ИЭР) катионов метилсульфония, полученных из (а) 7-тиабицикло[4.3.0]нонана (9), (б) 3-тиабицикло[4.4.0]декана (2) и (в) 4-метил-3-тиабицикло[4.4.0]декана (5).

Рис. 3.6. МС/МС-спектры (ИЭР) катионов (а) метил-, (б) гексил- и (в) ундецилсульфония, полученных из 2-метилтиана (16).

3. 2. 4. Качественные и количественные различия в МС/МС-спектрах сулъфониевых катионов в случае структурных изомеров

Масс-спектры ДИС сульфониевых катионов, синтезированных из региоизомерных тиацикланов, сильно отличаются, причем в некоторых случаях наряду с качественными различиями наблюдаются и количественные. Такие различия будут продемонстрированы нами на примере сульфониевых катионов, полученных из изомерных по положению атома серы тиабицикло [4.4.0] деканов

(1-2) и их региоизомерных С-метиловых (3-5), а также С-пропиловых (6-8) аналогов. Их наиболее удобно проследить на примере ^-метиловых и ^-этиловых производных. Для дифференциации серосодержащих и углеводородных ионов, образующихся при их распаде, были изучены масс-спектры ДИС дейтерированных аналогов, содержащих группы CD3, CH2CD3 и C2D5 у атома серы.

Как отмечалось в предыдущем разделе, МС/МС-спектры сульфониевых солей достаточно насыщены интенсивными пиками фрагментных ионов, среди которых преобладают углеводородные. Однако региоизомерный эффект отражается на легкости образования катионов сульфония типа Alk-S+=CHR (F) (CH3-S+=CHR (FMe) для ^-метилированных производных), которые также проявляются в спектрах в виде вполне заметных пиков. Как можно видеть из рисунка 3.7, в случаях, когда у атома углерода рядом с атомом серы отсутствует алкильный заместитель (катионы соединений (4) и (5)), при фрагментации всегда образуется ион CH3-S+=CH2 с массой 61 Да. Формирующиеся при наличии метилового заместителя ионы CH3-S+=CHCH3 с массой 75 Да (для катионов соединений (3) и (5)) обладают меньшей интенсивностью. Связь С-С при образовании катиона FMe может разрываться не только у атома углерода рядом с атомом серы. Этим объясняется возникновение иона CH3-S+=CHCH2CH3 (m/z 89) из катиона сульфида (4).

При замене группы S-CH3 на S-CD3 рассмотренные пики ионов закономерно сдвигаются на 3 Да в сторону больших масс (m/z 61 ^ 64, 75 ^ 78, 89 ^ 92) (рис. 3.8).

Рис. 3.7. МС/МС-спектры (ИЭР) катионов метилсульфония, полученных из (а) 3-метил-2-тиабицикло[4.4.0]декана (3), (б) 4-метил-2-тиабицикло[4.4.0]декана (4) и (в) 4-метил-3-тиабицикло[4.4.0]декана (5).

Рис. 3.8. МС/МС-спектры (ИЭР) катионов тридейтерометилсульфония, полученных из (а) 3-метил-2-тиабицикло[4.4.0]декана (3), (б) 4-метил-2-тиабицикло[4.4.0]декана (4) и (в) 4-метил-3-тиабицикло[4.4.0]декана (5).

Условные структуры и состав всех ионов F в спектрах ДИС исследуемых солей отражены в таблице 3.1.

Таблица 3.1. Наличие ионов F и интенсивность их пиков в спектрах ДИС катионов, полученных из сульфидов 1-8.

Исходный сульфид алкил) Масса ионов F в Да (условная структура, относительная интенсивность в %)

1 (СНз) 61 (СНз^+=СН2; 1); 75 (СНз^+=СНСНз; 1)

2 (СНз) 61 (СНз^+=СН2; 21); 75 (CHз-S+(-CH2-)2; 5)

3 (СНз) 75 (СНз^+=СНСНз; 4)

4 (СНз) 61 (CHз-S+=CH2; 14); 89 (СНз^+=СНСН2СНз; 2)

5 (СНз) 61 (СНз^+=СН2; 9з); 75 (СНз-S+=CHCHз; 5)

6 (СНз) 61 (СНз^+=СН2; 2); 10з (СНз^+=СНСШСН2СНз; 1); 117 (CHз-S+=C(CHз)CH2CH2CHз; 2)

7 (СНз) 61 (СНз^+=СН2; 12)

8 (СНз) 61 (CHз-S+=CH2; 50)

1 (С2Н5) 75 (СНзСН2^+=СШ; 5); 89 (СНзСШ^+=СНСНз; 5)

2 (С2Н5) 75 (CHзCH2-S+=CH2; 26); 89 (СНзСН2^+(-СШ-)2; 5)

з (С2Н5) 89 (CHзCH2-S+=CHCHз; 2)

4 (С2Н5) 75 (СНзСН2^+=СШ; 9); 10з (СНзСН2^+=СНСН2СНз; 1)

5 (С2Н5) 75 (CHзCH2-S+=CH2; 65); 89 (СНзСШ^+=СНСНз; 2)

6 (С2Н5) 75 (CHзCH2-S+=CH2; 2); 1з1 (CHзCH2-S+=C(CHз)CH2CH2CHз; 2)

7 (С2Н5) 75 (СНзСН2^+=СШ; 14)

8 (С2Н5) 75 (CHзCH2-S+=CH2; 100)

Следует отметить, что при наличии н-пропилового заместителя в исходном сульфиде (6-8), из образующегося иона F (CH3-S+=CHCH2CH2CH3, m/z 103) возможен отрыв пропилена с образованием более стабильного катиона с массой 61 Да. Все закономерности фрагментации, отмеченные для S-метилзамещенных тиацикланов, можно проследить и в случае S-этилзамещенных, где масса ионов CH3CH2-S+=CHR (FEt) смещается на 14 Да по отношению к ионам FMe. В свою очередь, при замене группы S-CH2CH3 на S-CH2CD3 и S-C2D5 пики ионов FEt сдвигаются на 3 и 5 Да, соответственно.

В МС/МС-спектрах солей изомерных тиабицикло[4.3.0]нонанов (9 и 10), а также их метил- (11 и 12) и н-пропилзамещенных (13 и 14) аналогов наблюдаются характерные различия, подчиняющиеся тем же закономерностям, что и в случае с тиабицикло[4.4.0]деканами. Спектры состоят из аналогичных наборов пиков, но относительная интенсивность пиков катионов F заметно выше, что может быть следствием более низкой стабильности циклопентанового кольца по сравнению с циклогексановым. Наличие в спектрах S-метилированных соединений 9-14 ионов FMe представлено в таблице 3.2.

Таблица 3.2. Наличие ионов FMe в спектрах ДИС катионов, полученных из сульфидов 9-14.

Исходный сульфид (S-алкил) Масса ионов F в Да (условная структура, относительная интенсивность в %)

9 (CH3) 61 (CH3-S+=CH2; 18); 75 (CH3-S+=CHC№; 1)

10 (CH3) 61 (CH3-S+=CH2; 54); 75 (CH3-S+(-CH2-)2; 2)

11 (CH3) 75 (CH3-S+=CHCH3; 78)

12 (CH3) 61 (CH3-S+=CH2; 69); 75 (CH3-S+=CHC№; 8)

13 (CH3) 61 (CH3-S+=CH2; 44); 103 (CH3-S+=CHCH2CH2CH3; 44); 117 (CH3-S+=C(CH3)CH2CH2CH3; 1)

14 (CH3) 61 (CH3-S+=CH2; 75)

Чтобы продемонстрировать схожесть картин фрагментации сульфониевых катионов, полученных при диссоциации, индуцируемой соударением, в режимах ИЭР и МАЛДИ, и, следовательно, идентичность состава соответствующих масс -спектров, на рисунке 3.9 для сравнения приведены МС/МС-спектры S-метилзамещенных сульфидов (11 и 12), зарегистрированные с помощью обоих методов. Как и ожидалось, соотношения интенсивностей пиков в масс-спектрах одного и того же изомера сильно разнятся вследствие различия в условиях соударений, реализуемых на приборах с МАЛДИ и ИЭР. Однако, как можно видеть, помимо того, что качественный состав масс-спектров ДИС региоизомеров, полученных в случае этих двух вариантов ионизации, идентичен, в них также полностью сохраняются и количественные различия. Очень важно, что количественные различия спектров региоизомеров порой настолько велики, что они переходят в качественные. Это хорошо видно при сравнении появления в масс-спектрах пиков ионов F с m/z 61 и 75 (их состав и происхождение показаны на рисунке 3.9). Данный факт имеет существенное значение при установлении точной структуры катиона даже без сравнения с масс-спектром второго изомера, что часто не удается осуществить при использовании традиционного метода с ионизацией электронами.

Еще раз следует подчеркнуть, что масса иона F отражает взаимное расположение атома серы и С-алкильного заместителя. Но иногда в спектрах появляются малоинтенсивные пики, по массовым числам которых можно ошибочно сделать ложное структурное отнесение. Например, в масс-спектре S-метилсульфониевого катиона, образованного из 8-тиабицикло[4.3.0]нонана (10), наблюдается малоинтенсивный пик иона с m/z 75. Его образование может быть обусловлено разрывом двух связей С-С, и он, предположительно, представляет собой ион тиирания, формирующийся не из катиона F (рис. 3.10).

Рис. 3.9. МС/МС-спектры ИЭР (слева) и МАЛДИ (справа) катионов метилсульфония, полученных из (а) 8-метил-7-тиабицикло[4.3.0]нонана (11) и (б) 7-метил-8 -тиабицикло [4.3.0]нонана (12).

Рис. 3.10. МС/МС-спектр (ИЭР) катиона метилсульфония, полученного из 8-тиабицикло[4.3.0]нонана (10).

Аналогичный распад с образованием иона с m/z 75, по-видимому, происходит при диссоциации продукта ^-метилирования 4-метилтиана (15) (рис. 3.11а). В то же время фрагментация катиона изомерной соли, синтезированной из 2-метилтиана (16), происходит полностью в соответствии с рассмотренными выше закономерностями, которые включают образование преобладающего пика иона CH3-S+=CH2 (m/z 61) и менее интенсивного пика иона CH3-S+=CHCH3 (m/z 75) (рис. 3.11 б).

Рис. 3.11. МС/МС-спектры (ИЭР) катионов метилсульфония, полученных из (а) 4-метилтиана (15) и (б) 2-метилтиана (16).

Спектры ДИС изомерных катионов сульфония, полученных из фенилтиоланов (17) и (18), различаются качественно и количественно (рис. 3.12а и б). На обоих спектрах присутствуют ожидаемые пики ионов F с m/z 61. Их интенсивность зависит от положения ароматического кольца, но не отражает изомерию. Пики ионов с m/z 75 также наблюдаются в спектрах обоих изомеров, однако, основываясь на их маленькой интенсивности, можно заключить, что распад такого типа менее предпочтителен. Основные различия обусловлены наличием и относительной интенсивностью фенилсодержащих углеводородных ионов [С7Ш]+ (m/z 91) и [С8Ш]+ (m/z 105), которые пока трудно объяснить. Следует также обратить внимание на пик иона [C9H8]+ с m/z 116, наблюдаемый в случае обоих изомеров. Его масса соответствует катион-радикалу, представляющему собой тип частиц, которые довольно редко образуются при распаде катионов сульфония.

Рис. 3.12. МС/МС-спектры (ИЭР) катиона (а) метил-2-фенилтиолания, (б) метил-3-фенилтиолания, (в) тридейтерометил-3-фенилтиолания.

Спектры ДИС изомерных солей, полученных из сульфидов (17) и (18), содержат еще одно принципиальное отличие: только в случае катиона 3-фенилтиолания (из сульфида 18) наблюдается пик с m/z 119. Хотя он имеет низкую интенсивность, но легко распознается и полностью отсутствует в спектре катиона 2-фенилтиолания (из сульфида 17) (рис. 3.12а и б). Наиболее примечательным фактом является то, что пик смещается к m/z 122 в спектре S-тридейрометилового аналога (рис. 3.12в). Соответствующие сдвиги на 14, 17 и 19 Да наблюдаются в спектрах S-этилового, S-(2,2,2-тридейтеро)этилового и S-

пентадейтероэтилового аналогов соли сульфида (18). Эти данные доказывают, что в процессе фрагментации, независимо от присоединенной к атому серы группе, происходит отщепление нейтральной серосодержащей частицы (C2H4S), имеющей массу 60 Да, причем алкильная группа при атоме серы перемещается к заряженному осколку. Скорее всего, эта нейтральная частица является достаточно стабильной молекулой тиирана, экстрагируемой из пятичленного цикла в результате сложной перегруппировки [175].

3. 3. Дериватизация сульфидов с получением полисульфониевых солей и особенности их масс-спектров ИЭР и МАЛДИ

В продолжение работы мы синтезировали ряд бис - и трис(сульфониевых) солей на основе тех же циклических сульфидов, из которых были получены рассмотренные выше моносульфониевые соли, но с использованием ди- и тригалогеналкильных соединений. Для этих полисульфониевых солей были получены как ординарные спектры, так и масс -спектры ДИС, зарегистрированные в условиях ИЭР. Одной из целей этого исследования являлось изучение влияния региоизомерных эффектов на характер МС/МС-спектров. При этом мы полагали, что частицы с несколькими и, в частности, двумя зарядами вследствие кулоновского отталкивания будут распадаться легче, чем однозарядные ионы, и, следовательно, их спектры ДИС могут быть полезны для дифференциации изомеров [186].

В литературе можно найти ряд работ, посвященных МС/МС-спектрам многозарядных поликатионов. Среди них наибольшее внимание было уделено многозарядным полипротонированным пептидам и белкам, исследуемым методом ИЭР с целью секвенирования и установления других структурных особенностей этих биополимеров (см., например, монографию [1]). Встречаются также работы, посвященные масс-спектрометрическим характеристикам аммониевых дикатионов различного происхождения [187-189]. В то же время, фактически отсутствуют публикации, описывающие фрагментацию подобных бис -сульфониевых, а также бис-фосфониевых дикатионов. Это обстоятельство

явилось дополнительным стимулом проведения нашего исследования, в котором мы попытались выявить особенности распада полисульфониевых катионов, генерируемых в условиях ИЭР, в дополнение к изучению влияния тиациклановой и ди(три)галогеналкильной региоизомерии на спектры ДИС [176].

3. 3. 1. Получение полисульфониевых солей

В качестве объектов исследования нами были выбраны различные циклические сульфиды, а именно 2- и 4-алкилзамещенные тианы (15) и (16), изомерные 2- и 3-тиабицикло[4.4.0]деканы (1) и (2), 7- и 8-тиабицикло[4.3.0]нонаны (9) и (10), а также их алкилзамещенные аналоги (3-5, 1114). Для получения полисульфониевых солей были использованы алкилирующие агенты различных типов. Прежде всего были протестированы неразветвленные дибромалканы с разным количеством атомов углерода в цепи. Было установлено, что бис-сульфониевые соли не образуются в случае дибромалканов с короткой углеводородной цепочкой и близким расположением атомов брома (1,2-дибромэтан, 1,3-дибромпропан, 1,4-дибромбутан). В результате бис-сульфониевые соли были нами получены и исследованы только при использовании 1,12-дибромдодекана (схема 3.4). Реакция проводилась в присутствии перхлората натрия в течение 48 часов.

/ —« 2 ЫаСЮ4 © ©' — \

2 : Э + Вг-(СН2)12-Вг -► : 8-(СН2)12-8 : + 2 МаВг

4сн3см 4 '