Масс-спектрометрическая идентификация соединений ряда V-газов

Изобретение относится к исследованию или анализу материалов путем определения их химических или физических свойств и может быть использовано для хромато-масс-спектрометрической идентификации контролируемых токсичных химикатов в сложных смесях в рамках мероприятий по выполнению Конвенции о запрещении производства, накопления и применения химического оружия, а также его уничтожении [Конвенция о запрещении производства, накопления и применения химического оружия, а также его уничтожении. М.: Комитет по конвенциальным проблемам химического и биологического оружия при Президенте Российской Федерации, 1994, 133 с.].

Способ идентификации на основе метода масс-спектрометрии заключается в том, что на первом этапе из полного масс-спектра электронной ионизации происходит определение характеристической составляющей масс-спектра нейтральной молекулы НХ (характеристического субспектра) исследуемого соединения и его структуры с установлением полной структуры 2-диалкил-аминоэтиловой группы. Далее проводят анализ с регистрацией отрицательно заряженных ионов при энергии ионизации 4 эВ. К наибольшему по интенсивности пику в масс-спектре отрицательно заряженных ионов прибавляют массу выделенной 2-диалкил-аминоэтиловой группы и устанавливают молекулярную массу соединения. Далее из молекулярной массы вычитают массу максимального (по массовому числу) пика масс-спектра отрицательно заряженных ионов, устанавливая, таким образом, массу и строение О-алкильного радикала. В последнюю очередь устанавливается масса алкильного радикала путем вычитания из характерного иона, установленного по масс-спектру положительно заряженных ионов, массы О-алкильного радикала и фосфонотиолятной группы (PO₂S).

Техническим результатом изобретения является возможность полной достоверной идентификации соединений ряда О-алкил (Н или <C₁₀, включая циклоалкилы) S-2-диалкил (Me, Et, n-Pr или i-Pr)-аминоэтил алкил (Me, Et, n-Pr или i-Pr) фосфонотиолятов в сложных смесях, расширение функциональных возможностей масс-спектрометрического метода. На базе полученных результатов возможно появление программного продукта для автоматической идентификации указанной группы соединений.

Объектом настоящего исследования являются токсичные химикаты списка 1 Конвенции, принадлежащие к гомологическому ряду О-алкил (Н или <C₁₀, включая циклоалкилы) S-2-диалкил (Me, Et, n-Pr или i-Pr)-аминоэтил алкил (Me, Et, n-Pr или i-Pr) фосфонотиолятов:

где R₁, R₃ - нециклические алкильные радикалы с числом углеродных атомов от 1 до 3 и R₂ - Н или алкильные радикалы (включая циклоалкилы) с числом углеродных атомов от 1 до 10.

Отличительными признаками предлагаемого изобретения являются: применение метода МС ОИ РЗЭ для аналитических целей на коммерческом газохроматографическом масс-спектрометрическом комплексе; совместная идентификация веществ по данным двух методов анализа: масс-спектрометрии и МС ОИ РЗЭ; использование созданной авторами программы автоматического распознавания групповой принадлежности, применение расчетных формул строения вещества. Данные отличия являются существенными, так как известных технических решений, обладающими сходными признаками, не обнаружено.

Основным достоинством предлагаемого изобретения является: однозначная идентификация соединений ряда О-алкил (Н или <C₁₀, включая циклоалкилы) S-2-диалкил (Me, Et, n-Pr или i-Pr)-аминоэтил алкил (Me, Et, n-Pr или i-Pr) фосфонотиолятов в сложных смесях; расширение функциональных возможностей метода масс-спектрометрии ОИ РЗЭ. К дополнительным достоинствам можно отнести сокращение материальных затрат на аналитическое оборудование в аналитической лаборатории.

В настоящее время известен способ углубленной групповой идентификации соединений ряда О-алкил (Н или <С10, включая циклоалкилы) S-2-диалкил (Me, Et, n-Pr или i-Pr)-аминоэтил алкил (Me, Et, n-Pr или i-Pr) фосфонотиолятов. Вышеупомянутый способ реализован на основе программного комплекса, разработанного для моделирования характеристической составляющий масс-спектров (характеристического субспектра) исследуемой группы соединений [Свидетельство №2015611414, Российская Федерация. Программный комплекс для моделирования характеристической составляющей масс-спектра электронной ионизации (характеристического субспектра) химических соединений: свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ / А.В. Дудкин, Ю.И. Морозик, А.Г. Терентьев и др.; правообладатель ВА РХБЗ, зарегистр. 28.01.2015 г.] Кратко суть способа углубленной групповой идентификации заключалась в следующем. С использованием программного комплекса [свидетельство] заранее были смоделированы характеристические субспектры для широких групп соединений, на основе которых была создана библиотека LibFragMS. Масс-спектр неизвестного соединения сравнивался с характеристическими субспектрами, включенными в библиотеку LibFragMS. Основанием принадлежности неизвестного соединения к определенной группе служило превышение пороговых значений прямого и обратного факторов совпадений, полученных при сравнении масс-спектров, характерных для данной группы соединений. Например, пороговые значения факторов совпадений для класса соединений, рассматриваемых в данной работе, представлены в таблице 1.

Например, если при проведении библиотечного поиска O-алкил-S-2-(метиламино)этил-алкилтиофосфонату будут соответствовать показатели match r.match, превышающие значения, указанные в табл. 1, то неизвестное вещество можно надежно идентифицировать как представитель этой подгруппы соединений.

При несомненных достоинствах данного программного комплекса решение основной задачи - однозначная идентификация, то есть точное установление структуры соединения из десятков тысяч претендентов применением данного комплекса не достигается.

Задача настоящего изобретения заключается в разработке способа определения строения О-алкильного и алкильного радикалов в молекулах веществ, отнесенных на этапе групповой идентификации к гомологическому ряду О-алкил S-2-диалкил-аминоэтил алкилфосфонотиолятов.

Для создания способа авторами выполнены исследования по следующим вопросам:

1. Отнесение исследуемого соединения к группе О-алкил S-2-диалкил-аминоэтил алкилфосфонотиолятов.

2. Выявление направлений масс-фрагментации отрицательно заряженных ионов исследуемой группы, полученных при малых, до 15 эВ, энергиях ионизирующих электронов. Возможность получения и регистрации отрицательно заряженных ионов резонансного захвата электронов на серийном газохроматографическом масс-спектрометрическом комплексе была представлена в работах [Терентьев А.Г., Хатымов Р.В., Иванова М.В. Применение масс-спектрометрии отрицательных ионов в аналитических целях на ГХ-МС комплексе // Известия Уфимского научного центра РАН. - 2014. - №3. - С. 86].

В результате исследования О-алкил S-2-диалкил-аминоэтил алкилфосфонотиолятов было установлено, что масс-фрагментация происходит только по двум направлениям в одну стадию каждая:

- наиболее интенсивным процессом является разрыв связи сера-углерод, с образованием, максимального по интенсивности, отрицательно заряженного иона с фосфорсодержащим фрагментом, с массой L;

- разрывом связи углерод-кислород с отрывом О-алкильного радикала, с образованием максимального в масс-спектре по величине m/z осколочного отрицательного иона, с массой S.

Представленные выше направления происходят без перегруппировочных (атомов водорода) процессов, характерных при регистрации положительно заряженных ионов с электронной ионизацией.

Так же в масс-спектрах отрицательно заряженных ионов зарегистрированы пики псевдомолекулярных (М-Н)^- с интенсивностью до 5%.

Было рассчитано, что ионы, образованные разрывом связи C-S и О-С, относятся к 13 и 0 группам спектров ионных серий, соответственно. Правила расчетов и применение спектров ионных серий рассмотрено в работе [Иоффе Б.В., Зенкевич И.Г., Кузнецов М.А., Берштейн И.Я. Новые физические и физико-химические методы исследования органических соединений. Л.: Изд. Ленинградского Университета, 1984 г., 240 с.]. Возможно, что при разрыве связи C-S будет образован ион, относящийся к 11 группе спектров ионных серий. Этот факт указывает на то, что алкоксильный радикал имеет циклическую структуру.

Полученные по результатам исследования отрицательно заряженных ионов аналитические данные возможно использовать для однозначной идентификации указанных соединений.

Для этого общую структуру исследуемого ряда соединений можно представить в виде составляющих, представленных на фигуре 2:

- О-алкильного радикала, обозначенного неизвестным X;

- 2-диалкил-аминоэтил-группы, обозначенной неизвестным Y;

- алкилфосфонотиолят-группы, обозначенной неизвестной N;

- алкильного радикала R.

Кроме того, для обозначения молекулярной массы соединения введем величину М.

По информации, полученной по масс-спектрам положительно заряженных ионов с проведением операций углубленной групповой идентификации, было выявлено, что соединение можно отнести к группе О-алкил S-2-диалкил-аминоэтил алкилфосфонотиолятов. По наличию характерного иона, с массой А, происходит установление двух алкильных радикалов аминогруппы с массами m. Данные радикалы возможно определить, используя характерные субспектры, представленные на фигуре 1.

Масса диалкил-аминоэтил группы устанавливается по формуле:

Y=42+2m, где 42 – масса этиламиноэтилгруппы (2 атома углерода, 4 атома водорода и атом азота).

В масс-спектре отрицательно заряженных ионов зарегистрированы пики фрагментных ионов. Рассчитываем для каждого иона принадлежность к группам ионных серий. Пик, относящийся к 13 гомологической серии, обозначен неизвестной L, образован разрывом связи S-C и отщеплением 2-диалкил-аминоэтил-группы. Зная массу 2-диалкил-аминоэтил группы (из формулы 1) и зная массу пика, относящегося к 13 гомологической серии, можем установить молекулярную массу исследуемого соединения по формуле:

M=Y+L

Дополнительным доказательством молекулярной массы может являться наличие в масс-спектре отрицательно заряженных ионов пика псевдомолекулярного иона (М-Н)^-.

Зная, что второй пик в МС ОЗИ образован разрывом связи кислород-углерод, и подтвердив его принадлежность к 0 группе спектров ионных серий, определяем О-алкильный радикал по формуле:

Х=M-S.

Из всей структуры остается неизвестным строение и масса алкильного радикала.

Массу данного радикала R можно установить по формуле:

R=L-X-95, где 95 – масса фосфонотиол-группы, с брутто-формулой PO₂S.

Таким образом, алгоритм однозначной идентификации сводится к следующим операциям:

определение типа разветвления 2-диалкил-аминоэтиловой группы,

расчет массы диалкил-аминоэтил группы,

определение молекулярной массы соединения,

установление массы и строения О-алкильного радикала,

определение алкильного радикала.

Примеры осуществления способа

Пример 1.

В качестве объекта идентификации на фигуре 3 представлены масс-спектры положительно и отрицательно заряженных ионов неизвестного соединения V4.

Результаты идентификации неизвестного соединения с помощью вышеописанного способа углубленной групповой идентификации показал, что масс-спектру соединения соответствует характеристический субспектр группы О-алкил S-2-диалкил-аминоэтил алкилфосфонотиолятов с наличием изопропильных радикалов в аминогруппе (показатель Match равен 740, показатель R.Match - 935, т.е. вещество надежно идентифицировано как представитель своего класса и своей подгруппы).

Исходя из этого устанавливаем массу диизопропил-аминоэтил группы:

А=42+43*2=128 Да

Устанавливаем молекулярную массу исследуемого соединения сложением иона А с ионом L

M=A+L=128+139=267 Да

Установление массы и строение О-алкильного радикала:

X=M-S=267-238=29 Да, что соответствует формуле С₂Н₅-этильного радикала.

Определение алкильного радикала:

R=L-X-95=139-29-95=15 Да, соответствующий метил-радикалу.

Таким образом: однозначно установлена полная структура соединения: О-этиловой S-2-(N,N-диизопропиламино)этиловый эфир метилфосфоновой кислоты с молекулярной массой 267 Да.

Пример 2.

В результате масс-спектрометрического исследования получены масс-спектры положительно и отрицательно заряженных ионов неизвестного соединения VX (фигура 4).

Результаты идентификации исследуемого соединения с помощью способа углубленной групповой идентификации показал, что масс-спектру соединения соответствует характеристический субспектр группы О-алкил S-2-диэтил-аминоэтил алкилфосфонотиолятов с наличием этильных радикалов в аминогруппе (показатели Match и R.Match для данной группы равны 640 и 970 соответственно).

Устанавливаем массу диэтил-аминоэтил группы:

А=42+29*2=100 Да;

Устанавливаем молекулярную массу исследуемого соединения сложением иона А с ионом L

M=A+L=100+167=267 Да

Установление массы и строение О-алкильного радикала:

X=M-S=267-210=57 Да, что соответствует брутто-формуле С₄Н₉-радикала.

Определение алкильного радикала:

R=L-X-95=167-57-95=15 Да, соответствующий метил-радикалу.

Таким образом: однозначно установлена полная структура соединения: О-третбутиловый S-2-(N,N-диэтиламино)этиловый эфир метилфосфоновой кислоты с молекулярной массой 267 Да.

Условия анализа: ГХ-МС комплекс Кристалл 5000.1/ DSQ Thermo Finnigan; слабополярная капиллярная колонка DB-5MS длиной 30 м, внутренним диаметром 0.25 мм, толщиной слоя неподвижной жидкой фазы 0.25 мкм; скорость газа-носителя (гелия) - 1.1 см³/мин; соотношение сброса в испарителе - 1:10; температура в испарителе - 250°C; температура интерфейса - 255°C; температура колонки - режим линейного программирования от 40°C до 250°C со скоростью 10°C/мин, с выдержкой 1 мин при начальной температуре и 8 минут при конечной температуре; объем пробы - 1 мкл; условия ионизации - электронный удар, энергия ионизации от 4 эВ при регистрации ОИ, 70 эВ при регистрации ПИ.