A tömegspektrometria nagy érzékenységének és pontosságának köszönhetõen ma már nélkülözhetetlen analitikai módszere a szerves kémikusoknak. Az ionizációs módszerek rohamos fejlõdése egyre szélesebb skálában teszi lehetõvé a vegyületek tömegspektrometriás vizsgálatát. A különbözõ mérési technikák lehetõvé teszik, hogy a tömegspektrometria ne csupán molekulatömeg információt szolgáltasson, hanem szerkezeti információk szerzésére is alkalmas legyen.

Munkám során az volt a célom, hogy különféle példákon keresztül bemutassam, milyen változatos kémiai problémákat lehet megoldani tömegspektrometriás módszerek segítségével.

Az elektronütközéses ionizáció (EI) nem alkalmas hõre érzékeny, illetve kevésbé illékony vegyületek vizsgálatára. Egy korábbi munkánk során optimáltuk egy, az irodalomban ismert eljárás kísérleti körülményeit, amikor is a kevésbé illékony vegyületek NH₄Cl hozzádásával EI körülmények között is vizsgálhatóvá váltak. A kísérleteim során én deuterált ammónium-kloridot alkalmaztam, és azt tapasztaltam, hogy nem csak egy egyszerû ionizáció következett be, hanem ND₄Cl hatására a minta aktív hidrogénjei deutériumra cserélõdtek le. Ezzel a gyors és egyszerû módszerrel meg lehet határozni a vegyületekben lévõ aktív hidrogének számát. A deutériumcsere nem csupán a molekulaionban volt észlelhetõ, hanem az aktív hidrogéneket tartalmazó fragmensekben is ki lehetett mutatni, ami megkönnyítette a fragmentációs folyamatok feltérképezését.

Megvizsgáltuk néhány biológiailag fontos vegyületcsalád (flavonoidok, tiazolidin karbonsavak) néhány tagjának tömegspektrometriás viselkedését EI körülmények között. Pontos tömegméréssel, az elõbb említett deutériumcserés módszer alkalmazásával, illetve tandem tömegspektrometriás úton feltérképeztük a vegyületcsaládok fragmentációs sajátosságait. A 2-fenil-tiazolidin-4-karbonsav nagyfelbontású spektrumában számos csúcs dublettnek adódott. Meghatároztuk ezen csúcsok elemi összetételét, és javaslatot tettünk a képzõdési mechanizmusukra.

Izomer vegyületek tömegspektrumai az esetek többségében hasonlóak. Ismeretes az irodalomból, hogy a flavanon és a 2'-hidroxi kalkon oldat- és gázfázisban is egyensúlyban van egymással. Célul tûztük ki ezen vegyületek gázfázisú egyensúlyának tanulmányozását. Elõször meghatároztuk néhány flavonoid alapváz fragmentációs viselkedését EI körülmények között. Azt tapasztaltuk, hogy a gázfázisú egyensúly csupán az oxigéntartalmú vegyületek esetében volt kimutatható, a nitrogén és kén analógok esetében ilyen folyamatot nem észleltünk. Megvizsgáltuk a flavanon illetve a 2'-hidroxi-kalkon kétszeresen töltött molekulaionjainak a semlegesvesztéses illetve töltésszeparációs folyamatait, és azok drámai különbséget mutattak a két izomer esetében. Ebbõl arra a következtetésre jutottunk, hogy a két vegyület egyszeresen töltött molekulaionjai gyakorlatilag teljes mértékben izomerizálódnak mire az ütközési cellába érnek, ezzel szemben a kétszeresen töltött ionok egyáltalán nem mutatnak izomerizációt, teljesen különbözõ spektrumokat szolgáltatnak. Ez a módszer így lehet séget nyújt izomer szerkezetek megkülönböztetésére.

Elválasztástechnikai módszerekkel kombinálva a tömegspektrometria alkalmas sokkomponensû elegyek vizsgálatára is. Munkánk során szenesedési folyamatokban képzõdött vegyületek azonosításával összehasonlítottuk a különbözõ hõmérsékleten végbemenõ szenesedéseket. Két kérdésre kerestük a választ: meddig megy el a szenesedés (képzõdnek-e esetleg fullerén típusú szénklaszterek), illetve milyen intermediereken keresztül történik a szenesedés. Fullerénképzõdést csak a magas hõmérsékletû folyamatoknál (radiofrekvenciás plazma, ívkisülés, szikrakisülés) tapasztaltunk. A keletkezett extraktokat GC/MS technikával vizsgáltuk, és azt tapasztaltuk, hogy függetlenül a kiindulási anyagok aromás jellegétõl, mind a magas, mind pedig a közepes hõmérsékletû folyamatokban policiklikus aromás szénhidrogének keletkeztek. A képzõdött szenek toluolos extraktjainak direkt EI spektrumaiban egy érdekes szabályszerûséget észleltünk: két csúcssorozat volt megfigyelhetõ, egy nagyobb, és egy kisebb intenzitású. A csúcssorozatok tagjai között a tömegkülönbség 24 illetve 26-nak adódótt. A GC/MS eredményekkel összevetve azonosítottuk a csúcsokhoz tartozó szerkezeteket, és arra a következtetésre jutottunk, hogy a szenesedés aktív C₂ egységek beépülésével halad elõre. Ezt úgy igazoltuk, hogy a szikrakisülésnél inert atmoszférát biztosító argongázt cseppfolyós nitrogénes csapdán vezettük keresztül, és a kondenzálódott termékeket GC/MS technikával azonosítottuk. Azt tapasztaltuk, hogy a kondenzált termékek jelent s részét acetilén képezte, amely a szikrakisülés során keletkezett. Megfelelõen magas hõmérsékleten a képzõdött reaktív acetilének összekapcsolódásával, illetve izomerizációjával lehet értelmezni a policiklikus aromás intermedierek képzõdését.

Munkánk során számos esetben alkalmaztunk tandem tömegspektrométert. A módszer lehetõvé teszi egy általunk kiválasztott ion fragmentációs folyamatainak a tanulmányozását. Mivel ilyen készülékkel nem rendelkeztünk, az ilyen jelleg méréseket együttmûködés keretében Budapesten tudtuk elvégezni. Elhatároztuk, hogy a laborunkban mûködõ egyik tömegspektrométerünket átépítjük tandem tömegspektrométerré. Ehhez egy újabb elektrosztatikus analizátort kellett beépíteni a meglévõ készülékbe. Ionoptikai számításokat végeztünk, hogy meghatározzuk a beépítendõ részek pozícióját. Ezt követõen meg kellett oldani az alkatrészek vákuumzáró csatlakozását. Az összekapcsolandó alkatrészek méretkülönbsége miatt átmeneteket kellett készíteni. A megnövekedett tér szükségessé tette a vákuumrendszer bõvítését, ezért egy újabb diffúziós pumpát kellett beépítenünk. Ezt követõen a beépített elektrosztatikus analizátor elektronikai vezérlését oldottuk meg. Az átépítés befejezését követõen modellvegyületeken teszteltük a készülék mûködését, és azt állapítottuk meg, hogy mind MIKE, mind pedig CID módban jól értelmezhetõ és reprodukálható spektrumokat lehetett produkálni vele.

Mass spectrometry is a sensitive and powerful analytical technique in which ionized sample molecules and their fragmentation products are separated according to their mass to charge ratios. In my thesis the application of modern mass spectrometric techniques on different types of organic compounds is discussed. The main scope was to give examples how mass spectrometry can solve various problems in the field of organic chemistry.

Electron impact is not a suitable ionization method for many nonvolatile or thermolabile compounds. Our aim was to study a method, published in the literature in detail, which provides the opportunity to obtain meaningful spectra of such compounds. This method gives the possibility to count the number of active hydrogens in many of organic compounds. The mechanism of the H/D exchange was studied applying ND₄Cl. This technique helps to identify fragmentation pathways of compounds, because the position of peaks containing deuterium atoms shifts in the mass spectrum.

Mass spectrometry plays a key role in the structure determination of different molecules. Because the relatively high excess energy of ions, electron impact spectra are specific and characteristic of the chemical structure of the sample molecule. A detailed study of mass spectrometric behaviour of different substituted 2-aryl-thiazolidine-4-carboxylic acids was performed, where different mass spectrometric techniques, like accurate mass measurements, collision induced dissociation, deuterium exchange have been used in order to establish the fragmentation pathways of these compounds.

Some groups of isomeric compounds give very similar mass spectra under electron impact. Differentiation of these isomers by mass spectrometry is a great challenge for the mass spectrometrist. The degree of excitation and the electronic structures of singly and doubly charged ions are different, for these reasons there are differences in their fragmentation processes. Synthetic flavonoid derivatives were investigated by mass spectrometry and the isomerization process of flavanone and chalcone type molecules was studied. It can be concluded that isomerization exists only in the case of oxygen containing compounds. The comparison of the mass spectrometric behaviour of the flavanone and 2'-hydroxy-chalcone isomers shows that their singly charged molecular ions are not completely isomerized in the ion source but the isomerization becomes complete in ca 10 µsec. The doubly charged molecular ions, however, do not isomerize at all and show distinct doubly charged ion spectra. From analytical point of view it means that the isomers can easily be distinguished by their doubly charged ions. From ion chemistry point of view these results indicate that isomerization does not take place during evaporation but only after ionization. Quantum chemical calculations showed very close agreement with the results of the mass spectrometric experiments.

Mass spectrometry can be used for analysis of mixtures, either on-line or off-line with separation techniques. We were particularly interested in different types of carbonization processes so we decided to study these processes by GC/MS and direct MS. Our aim was to identify the intermediates, formed in the processes, and to find out the mechanism of carbonization. Various ionization methods (EI, ESI, FAB) and GC/MS measurements have been done in order to identify the compounds formed during the carbonization. There is a broad scale of compounds, mainly PAH's, fullerenes and other unidentified hydrocarbons with high molecular weight as intermediates of carbonization. The distribution of different compounds greatly varies by the conditions. This is mainly due to the different maximum temperature (which was about 1000-1500 ^oC in flame and pyrolysis and 5000-9000 ^oC in electric discharges and RF plasma experiments) and the gradient of the temperature in the cooling period.

An interesting rule can be recognised in the mass spectrum of these extracts: The difference between the most intensive peaks of many groups was 24 or 26 mass units (i.e. C₂ or C₂H₂ unit difference). There is a series with higher intensities, containing even number carbon atoms and another series between these peaks with smaller intensities, containing carbon atoms with odd number. On the basis of GC/MS analysis a possible explanation of this rule is the propagation of C₂ chemical units, their incorporation and isomerization, leading to different types of PAHs.

An experiment was performed in order to prove the formation of reactive C₂ units. The argon flow, which was used in the electric discharge experiments to provide inert atmosphere, was introduced to a reservoir kept in liquid nitrogen. Under this condition most of the gas phase products were trapped. These gases were then analyzed by GC/MS and a huge amount of acetylene was found indicating the formation of reactive C₂ units. On the basis of 24/26 rule the formation of PAH's can be explained.

A tandem mass spectrometer was needed to most of our experiments. Because we did not have such an instrument we decided to reconstruct one of our mass spectrometr to a three sector tandem mass spectrometer to be able to do MIKE and CID experiments. This required, among others, ion optical calculations, mechanical constructions, building a vacuum system and modifying the electrical connections. Spectra on the new instrument were recorded both in MIKE and CID mode. A comparison with spectra recorded on a commercially available instrument showed that our mass spectrometer is capable performing MS/MS mode.

 Publications

1. Z. Dinya, M. Lipták, P.T. Szabó, F. Sztaricskai: Determination of Active Hydrogen in Organic Compounds by Electron-impact Mass spectrometry, Rapid Commun. Mass Spectrom. 6, 679 (1992)

2. K. Vékey, P.T. Szabó, Z. Dinya: Differentiation of Flavanone and 2'-hydroxy-chalcone by Doubly Charged Ions, Rapid Commun. Mass Spectrom. 7, 635 (1993)

3. M.T. Beck, Z. Dinya, A. Dombi, J.C. Fetzer, S. Kéki, L. Papp, P.T. Szabó, J. Szépvölgyi, M. Zsuga: Comparitive study of carbonization of toluene upon heating, electric discharges, silent discharges and in radiofrequency plasma, Recent advances in the chemistry and physics of fullerenes and related material, ed. by K.M.Kadish and R.S.Ruoff, p 80. (1994)

4. P.T. Szabó, G. Pócsfalvi, Z. Györgydeák, Á. Somogyi, Z. Dinya: Electron Impact Mass Spectrometry of 2-Aryl-Thiazolidine-4-Carboxylic Acids, Rapid Commun. Mass Spectrom. 10, 1136 (1996)