Мас-спектрометрия на органични съединения

ГЛАВА I

УВОД

Едно от най-важните направления в развитието на органичната химия в последните години е все по-нарастващото приложение на физичните методи. Основната причина за това е възможността с тяхна помощ да се решават задачи, които по-рано са се смятали за неразрешими. От друга страна, чрез тях сега може да се намери много по-бързо отговор на интересуващите ни въпроси, отколко­то по-рано. Като се прибави и фактът, че физичните методи позволяват работа с много по-малко количество вещество, от­колкото по класическите химични методи, което води до икономия на ценни реактиви, става ясно защо в химическите лаборатории намират приложение и най-скъпите методи.

Основният принцип на мас-спектрометрията е разделяне и регистриране на йонни маси. Той е демонстриран за пръв път през 1898 г. от В и е н (Wien), който съумява да раздели положително заредени йони в електрическо и магнитно поле. В интервала 1910—1912 г. Томсън (Thomson) изследва по този метод инертни газове и показва наличието на атоми с маси 4 (хелий), 20 (неон), 40 (аргон), както и на атом с маса 22, която не е съответствувала на никой известен газ. Още по-рано, през 1905 г., е било предположено съществуването на елементите в различни форми, различаващи се по маса, които са били наречени изотопи, но именно чрез мас-спектрометрията Томсън показва за пръв път наличието на такъв стабилен изотоп (оказа­ло се е, че атомите с маса 22 принадлежат на изотоп на неона). По-нататъшното развитие на мас-спектрометрията първоначално се е свързвало с търсенето на изотопи на елементите. През 1918 г. Демстър (Dempster) и през 1919г. Астън (Aston) създа­ват по-съвършени инструменти, чието принципно устройство се е запазило и досега. Тези два апарата се различават по начина на регистриране на получените положителни йони. При апарата на Астън регистрирането се осъществява чрез фотографска пластин­ка, поставена в колектора на йоните. Този начин позволява да се определяте голяма точност йонните маси и създадените въз осно­ва на него прибори сега носят името мас-спектрографи. Апаратът на Демстър, при който регистрацията се извършва по електри­чески начин, позволява по-точно да се отчитат интензивностите на получените йонни токове и приборите, конструирани на този принцип, носят името мас-спектрометри и се използуват почти изключително в органичната химия.

Отначало мас-спектрометрията се използуваше главно в неорганичната химия и физикохимията, но през годините на Вто­рата световна война нарасналата нужда от горива и масла (пре­ди всичко за авиацията) с точно определен състав и свойства наложи създаването на методи за изследване състава на сложни смеси. Тогава именно мас-спектрометрията намери широко при­ложение в органичната химия, използувана главно като сред­ство при тези изследвания. По-късно тя бе заместена успешно в тази област от газовата хроматография, но химиците вече бяха оценили нейните качества и след 1960 г. тя масово навлезе в орга­ничната химия. Принципът на мас-спектрометрията е прост— йонизират се молекули от изследваното вещество, след това по­лучените йони се разпадат, разделят се по маса (по-точно по отно­шението маса/заряд) и се регистрират. От вида и количеството на различните йони могат да се правят изводи за структурата и стереохимията на изследваното съединение. Важно предимство на мас-спектрометрията наред с голямото количество информация, давана от нея, е възможността, която не се предоставя от никой друг химичен или физичен метод, да се работи със съвсем малко количество вещество — от порядъка на десетомилионни от грама и дори по-малко, както и възможността да се изследват нечисти вещества и дори смеси от вещества. Тези възможности осигури­ха широко приложение на мас-спектрометрията в химията на природните вещества, биохимията, биологията, медицината и други науки, където количеството и чистотата на изследваните вещества винаги са голям проблем.

В последните години мас-спектрометрията толкова бурно навлезе в различните области на органичната химия, че сега е не­възможно да се намери добра лаборатория, която широко да не из­ползува този метод. Освен товатой намери приложение и в лабора­ториите на редицадруги специалности—другите клонове на химия­та, биохимията, биологията, медицината, геохимията, в клинични­те лаборатории и заводите и в редица други места, дори в кос­мическите кораби.

В настоящата книга се стремим да запознаем читателя — не само химик, но и биохимик, биолог, фармацевт, лекар, геолог и т.н., с основните принципи и приложението на мас-спектромет­рията. В следващата глава е описан начинът за получаване на мас-спектрите. Тя е твърде кратка, защото, от една страна, в тази област има няколко превъзходни монографии, а, от друга страна, ед ва ли на някого от читателите ще се случи сам да работи с мас-сп ектрометър. Това е твърде сложен апарат, изискващ специално подготвени специалисти. Задачата на изследователя, който ще ползува мас-спектрометрията, е да предаде веществото в мас-спектрална лаборатория и след това да интерпретира правилно :боя спектър. Именно това е и целта на настоящата книга. В третата глава се разглеждат общо теоретичните основи на метода, а в следващите шест глави — приложението на тези теоретични познания при интерпретирането на мас-спектрите на различни класове съединения. В пет от тези глави се разглеждат про­сти, монофункционални сведения, а в шестата получените зна­ния се използуват при изучаването на по-сложни, полифункци-онални съединения, каквито са природните вещества. Естествено с този кратък преглед не може да се обхване цялото многообразие на органичните съединения, но подборът на разгледаните групи от тях е направен така, че да даде познания за интерпретирането и на спектри на други класове съединения. В десетата глава се дават примери от многостранното използуване на мас-спектромет­рията, които естествено не могат да обхванат всички нейни при­ложения, а само могат да послужат като указание на читателя за това, в кои области на науката и практиката може да се при­ложи този метод. В последната глава са дадени редица задачи, с които се цели да се затвърди разгледаният в книгата материал и още веднъж да се илюстрира приложението на мас-спектро­метрията в органичната химия.

Читателят, желаещ да разшири познанията си в тази област от науката, може да ползува предложената от нас в края на книгата литература — монографии, представляващи обща лите­ратура, които са поставени на първо място, и оригинални публи­кации, дадени към всяка глава.