U  РОССИЙСКАЯ  АКАДЕМИЯ  НАУК 

ИНСТИТУТ  ЭЛЕМЕНТООРГАНИЧЕСКИХ  СОЕДИНЕНИЙ 

ИМЕНИ  А  Н  НЕСМЕЯНОВА 

На правах рукописи 

СКАЗОВ РОМАН СЕРГЕЕВИЧ 

РЕАКЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ФЕРРОЦЕНИЛАЛКИЛЬНЫХ 

ПРОИЗВОДНЫХ В УСЛОВИЯХ ИОНИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОНАМИ И 

ЭЛЕКТРОРАСПЫЛЕНИЕМ 

02 00 08 ­ Химия элементоорганических соединений 02 00 04 ­Физическая химия 

АВТОРЕФЕРАТ 

диссертации на соискание ученой степени 

кандидата химических наук 

О О З О Б В Э 5 Э 

Москва­2007 

Работа выполнена в Лаборатории механизмов химических реакций Института элементоорганических соединений имени А  Н  Несмеянова РАН 

НАУЧНЫЕ РУКОВОДИТЕЛИ 

доктор химических наук, профессор 

доктор химических наук ведущий научный сотрудник 

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ 

доктор химических наук, профессор 

доктор химических наук, профессор 

Юрий Степанович Некрасов 

Любовь Владимировна Снегур 

Альберт Тарасович Лебедев 

Игорь Тимофеевич Чижевский 

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ  Институт нефтехимического синтеза имени А  В  Топчиева РАН 

Защита диссертации состоится «16  » октября 2007 года в 10 часов на заседа­нии Диссертационного совета К 002 250 01 по присужденшо ученой степени кандидата химических  наук при  Институте элементоорганических  соедине­ний имени А Н  Несмеянова РАН по адресу 119991, Москва, ул  Вавилова, д  28 

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИНЭОС РАН 

Автореферат разослан " 14 " сентября 2007 года 

Ученый секретарь Диссертационного совета К 002 250 01 при ИНЭОС РАН  ­Кандидат химических наук  ^~*  /  Валентина Антоновна Ольшевская 

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА  РАБОТЫ 

Актуальность темы. Ферроценилалкилазолы  обладают выраженным противоопу­

холевым эффектом в сочетании с низкой токсичностью, что позволяет рассматри­

вать этот класс  соединений  в качестве основы для создания новых высокоэффек­

тивных препаратов для химнотерагош онкологических заболеваний  В связи с этим 

возникает потребность в изучении строения и реакционной  способности таких ве­

ществ современными физико­химическими  методами, одним из которых является 

масс­спектрометрия  Возможность  использования  различных  способов ионизации 

позволяет исследовать поведение молекул в различных условиях новообразования, 

а именно  при  ионизации  электронами  (ИЭ) реализуются  только  процессы  фраг­

ментации изолированных ионов, при химической ионизации протекают газофазные 

ионно­молекулярные  реакции,  а метод ионизации электрораспылением  (ИЭР) со­

держит  информацию  об  ионных  процессах в  растворах  Вместе  с  тем  этот ком­

плексный подход начал развиваться только в последние два десятилетия с появле­

нием метода ИЭР в основном применительно к органическим  соединениям, тогда 

как ферроценилалкильные производные остаются практически не изученными 

Цель и  задачи исследования. Целью работы является исследование биологи­

чески  активных  производных  ферроцена  методами  масс­спектрометрии  с иониза­

цией  электронами  и  электрораспылением  в  аналитическом  и  исследовательском 

аспектах  Первый из них заключается  в разработке  методик  определения  состава, 

строения и чистоты этого класса соединений, а второй ­  в исследовании реакцион­

ной способности таких молекул и их ионов в газовой и жидкой фазах 

Научная новизна и практическая значимость  Выявлены общие и специфи­

ческие пути фрагментации  ферроценилалкилазолов  при ионизации  электронами и 

показано, что основным фактором, определяющим реакционную способность изу­

ченных соединений в условиях диссоциативной ионизации, является природа гете­

роциклического  фрагмента,  а именно ­  его энергия  ионизации  Найдено, что при 

электрораспылении  ферроценилалкилазолов,  ферроценилалканолов,  а  также  сме­

сей последних с азолами, протекают известные в химии растворов реакции ферро­

ценилалкилирования, что позволяет применять этот метод для исследования реак­

ционной способности  производных ферроцена в пограничной зоне жидкой и газо­

вой  фаз  Установлено,  что  экспериментальные  условия  оказывают  существенное 

влияние  на  количественные  характеристики  масс­спектров  электрораспыления 

ферроценилалкильных  производных  Предложено  использовать  статистические 1 

методы планирования эксперимента  (полный факторный эксперимент) для поиска 

оптимальных  условий  регистрации  масс­спектров  ИЭР в  зависимости  от постав­

ленной задачи ­  структурно­аналитической  (идентификация  вещества) или иссле­

довательской  (изучение  ионно­молекулярньгх  процессов  в  условиях  ИЭР)  С ис­

пользованием дейтерированных растворителей и квантовохимических расчетов ус­

тановлены схемы ионообразования ферроценилалкильных производных в условиях 

ИЭР  Сформулированы  эмпирические  правила,  связывающие  строение  производ­

ных  ферроцена  с их  масс­спектрами,  которые  использованы  при  идентификации 

новых металлокомплексов 

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на П и III 

Международных  семинарах­школах  «Масс­спектрометрия  в  химической  физике, 

биофизике и экологии» (г  Москва, Россия, октябрь 2004 г , г  Звенигород, Россия, 

апрель 2007 г ), на I Всероссийской научной конференции  с международным уча­

стием  «Масс­спектрометрия  и  ее прикладные  проблемы»  (г  Москва, Россия, сен­

тябрь  2005  г )  и  на  XVII  международной  научной  конференции  по  масс­

спектрометрии (г  Прага, Чехия, сентябрь 2006 г ) 

Публикации  По теме диссертации опубликовано 4 статьи и 4 тезиса в сборни­

ках докладов  научных конференций,  в том числе три статьи ­  в журналах, реко­

мендованных ВАК Российской Федерации 

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, 

выводов и приложения  Содержит  84 страницы текста, 28 таблиц и  35 рисунков 

Библиография включает 130 наименований 

Объекты исследования и аппаратура. В качестве объектов исследования ис­

пользованы биологически активные ферроценилалкилазолы FcCH(R)Az (Az ­  про­

изводные пиразола, имидазола, триазола и их бензоаналогов, R = Н, алкил, Ph, Fc), 

исходные  компоненты  их  синтеза  ­  ферроценилалканолы  FcCH(R)OH  и  азолы 

AzH, а также соли FcCH(R)X+Y­  Все соединения  синтезированы и любезно пре­

доставлены сотрудниками ИНЭОС им  А  Н  Несмеянова РАН (А  А  Сименел, Л В 

Снегур) и Химфака МГУ им  М  В  Ломоносова (М  Д  Решетова, Н  Е  Борисова) 

Чистоту соединений и их термическую стабильность контролировали измерением 

зависимости масс­спектров ИЭ от температуры нагревателя системы прямого вво­

да пробы и от времени выдерживания образца  Масс­спектры ИЭ измерены на ди­

намическом масс­спектрометре Thermo Fmnigan Polaris Q (США) с ионной ловуш­

кой и на статическом  масс­спектрометре с двойной  фокусировкой Kratos MS 890 

(Великобритания)  Масс­спектры  ИЭР  измерены  на  тандемном  динамическом 

масс­спектрометре  Thermo  Finmgan  LCQ  Advantage  (США)  с  ионной  ловушкой 

Все  масс­спектры  приведены  к  моноизотопному  виду  с  помощью  программы 

AELITA,  разработанной  Ю  Н  Сухаревым  и  Ю  С  Некрасовым  Квантово­

химические расчеты выполнены Ю  А  Борисовым  (ИНЭОС РАН) методом функ­

ционала энергии от электронной плотности Бекке­Ли­Янг­Парра  (B3LYP) 

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ  РАБОТЫ 

1. Реакционная  способность  ферроценилалкилазолов  (ФАЗ) и ферроценилал­канолов (ФАЛК) в условиях ионизации электронами 2 11  Ферроценилалкилазолы 

В масс­спектрах ИЭ ферроценилалкилазолов  1­23 и ферроценилалканолов 24­35 

(Рис  1) FcCH(R)X (Fc=C5HsFeC5H4, X=Az или ОН) присутствуют интенсивные пи­

ки молекулярных ионов, которые распадаются  по нескольким  направлениям  Об­

щим для  всех  производных  ферроцена  является  процесс  элиминирования  цикло­

пентадиеничьных  лигандов,  вплоть  до  образования  катиона  свободного  железа 

Характерная  особенность  ферроценилалкильных  производных заключается в про­

текании  перегруппировки  с  миграцией  гетероциклического  фрагмента  или  гид­

роксильной группы к атому железа, в результате чего образуются ионы, содержа­

щие связь Fe­X (Рис  2)  Формально этот процесс является реакцией внутримолеку­

лярного нуклеофильного  замещения  циклопентадиенильного  лиганда азолильным 

фрагментом  или  гидроксильной  группой  Другой  путь  распада,  обусловленный 

расщеплением связи углерод­гетероатом,  зависит от природы заместителя R  Если 

это водород или  фенильная группа, происходит  простой разрыв  этой  связи с вы­

бросом  азолильного  или  гидроксильного  радикалов  В  случае  производных  с ал­

кильными заместителями  (R = Me, Et, Pr) этот процесс сопровождается миграцией 

атома  водорода  к  гетероатому  с  последующим  элиминированием  молекул  азола 

или воды, что приводит  к ионам  соответствующих  винилферроценов  Поскольку 

такая водородная перегруппировка реализуется только в соединениях, содержащих 

водород у р­углеродного  атома, то можно утверждать, что она осуществляется по 

механизму  1,2­элиминирования 

Найденные закономерности позволяют однозначно идентифицировать  ФАЗ по 

их масс­спектрам ИЭ  В частности, изомерные соединения 3 и 15, 7 и 19 с различ­

ным расположением  алкильных  заместителей  (в  азолильном  фрагменте или у  а­

углеродного атома) легко различить по значениям масс ионов, отвечающих потере 

з 

азолильного радикала (m/z 199 для соединений 3 и 7 или молекулы азола (m/z 212 я 

226 для соединений 15 и 19, соответственно) (Рис  3) 

R ­ H ( l ) 

Fe 

R=H(5)  Et(19) Pr (22, 

^ ^й

Ъ ^щр^ R­H(9>  Me<16) Et (20) 

R=H(2)  Me (13)  Et(lS) Pr (21)  Ph(23) 

R=H (6)  Me (12) 

^ з А й ^ е г 4 ^ > 

R=Me (10) 

R­H  (3) 

?  Jl 

R­H (7)  Me (17) 

^ Г ^ ^  8 R=Me  (11) 

R=H(4)  Me (14) 

R 

R=H (8)  Me (15) 

•  2 _ fe  Fe 

sb>  ^ ­ у о н  <^>  +J> 

Рис  1  Структуры исследованных ферроценилалкилазолов и ферроценилалкано­лов 

+• Fe 

Fe 

П  + ­

­ср'  ^gj^  ­ С р 

Fe—X 

+ Fe—X R=Me, 

Et, Pr 

""!+• 

Рис  2  Схема фрагментации ферроценилалкилазолов и ферроценилалканолов в ус­ловиях ионизации электронами (X = Az, ОН, Ср и Ср' ­  незамещенный и замещен­ный циклопентадиенильные лиганды, соответственно) 

Ферроценилалкильные  производные изомерных имидазола и пиразола, а также 4 

их бензоаналогов  значимо  различаются  соотношением  интенсивностей  пиков ио­

нов,  отвечающих  потере  циклопентадиенильных  лигандов  [M­Cp]+/[CpFe]+  (Cp = 

С5Н5)  Это  отношение  всегда на  порядок  величины  выше в  спектрах  соединений 

пиразола 8 и индазола 6 по сравнению с соединениями имидазола 5 и бензимидазо­

ла 2 (Рис  4) 

Рис  3.  Значения  m/z некоторых  ионов  в  масс­спектрах  ИЭ  изомерных  ферроце­нилалкилазолов 

/ = N 

0,30 We 5,35 

0,05  Те  ре 

2  6 

Рис. 4  Отношение интенсивностей  пиков ионов  [M­Cp]+/[CpFe]+ в масс­спектрах ИЭ ферроценилалкильных производных имидазола 2, S и пиразола 6, 8 

С  целью выяснения основных  факторов, определяющих реакционную способ­

ность ФАЗ в условиях ионизации электронами, были рассчитаны некоторые коли­

чественные характеристики основных процессов их фрагментации (Таблица 1) 

­  стабильность молекул к электронному удару (W = 1м+/Ј1,), которая представляет 

собой долю нераспавшихся молекулярных ионов и рассчитывается как отношение 

интенсивности пика молекулярного иона (1м+) к полному ионному току (Ј1,), 

­  степень фрагментации с отщеплением замещенного (ОсР) и незамещенного (ссср) 

циклопентадиенильных лигандов, а также гетероцикла  (а­м) Эти величины харак­

теризуют  прочность  связей металл­лиганд  и азол­углерод,  соответственно,  и рас­

считываются как разность между числом соответствующих фрагментов в исходной 

5 

молекуле  (в  данном  случае  1)  и  суммарной  интенсивностью  всех  пиков  ионов 

(нормированных к Ш,), содержащих данный фрагмент (SIAZ, 21ср  и 21ср) 

аСр =1­21Ср, аср=1­21сР, aAz=l­SIAz, 

­  сумма интенсивностей пиков ионов [CpFeAz]+ и [FeAz]+ (EFeAz), отражает миг­

рационную способность азолильного радикала к атому железа 

Регрессионный анализ полученных величин для серии  ферроценилметилазолов 

FcCH2Az и  значений  энергий  ионизации  {IP) соответствующих  азолов, позволил 

выявить некоторые взаимосвязи между ними  В частности, степень фрагментации с 

элиминированием гетероцикла otAz и стабильность этих соединений к электронно­

му удару W линейно  коррелируют  с энергией ионизации  азола  в соответствии  с 

уравнениями  1, 2 (Таблица 2)  Значения W и а ^  также находятся в линейной зави­

симости между собой (уравнение 3)  При этом, как и следовало ожидать, ослабле­

ние прочности связи углерод­азол (увеличение значения а^)  приводит к снижению 

стабильности молекулярного иона 

Таблица  1  Рассчитанные из масс­спектров ИЭ ферроценилметилазолов  FcCH2Az значения W, аАи  аСр,  аСр, XFeAz, и величины энергий ионизации соответствующих азолов (IF) 

№ соедин 1 2 3 4 5 6 7 8 9 

Az Adn BIm 

Im2Me In­2 Im 

In­1 PzMe2 

Pz BTr 

W 0,17 0,19 0,21 0,27 0,27 0,30 0,31 0,33 0,38 

CtAz 

0,39 0,65 0,74 0,43 0,64 0,38 0,26 0,22 0,50 

«Co 

0,71 0,33 0,26 0,46 0,32 0,47 0,49 0,45 0,14 

acr 0,52 0,45 0,39 0,39 0,40 0,35 0,19 0,21 0,34 

SFeAz 0,17 0,14 0,04 0,13 0,06 0,12 0,05 0,14 0,04 

IP, эВ 7,80 8,00 8,50 8,35 8,81 8,35 9,10 9,25 9,20 

Таблица 2  Результаты регрессионного анализа величин  OAZ, W,  SFeAz и IF  (R ­коэффициент корреляции, n ­  число точек, N ­ номера «выпавших» соединений) 

Уравнение  (№) алг =  ­0,29 IP + 2,!  (1) W=  0,12IP­  0,80  (2) W=  ­0,23 ам  +0,38  (3) 

XFeAz=  ­0,09/^ + 0,87  (4) 

R 0,929 0,930 0,893 0,976 

N 3,5,9: 

1,9 3,8 

Наблюдается также антибатная зависимость величины HFeAz, отражающей миг­

рационную способность  азолильного радикала к атому железа, с энергиями иони­

зации гетероцикла в соответствии с уравнением 4 (Таблица 2)  Поскольку известно, 

что энергия ионизации  изменяется  антибатно  протонному  сродству  молекулы, то 

величина SFeAz находится в прямой зависимости от протонного сродства азолиль­

ного фрагмента,  то есть, чем выше основность азола, тем выше его миграционная 

способность к положительно заряженному атому железа 

Для  процессов  элиминирования  циклопентадиенильных  лигандов  не  найдено 

каких­либо отчетливых корреляций со структурными  или энергетическими харак­

теристиками  молекул  Отсюда  следует,  что  основным  фактором,  определяющим 

реакционную  способность  изученных  соединений  в условиях  ионизации электро­

нами, является природа гетероциклического фрагмента ­  его энергия ионизации 

Таким образом, масс­спектры ИЭ содержат информацию как о составе и строе­

нии ферроценилалкилазолов, так и об их реакционной способности в условиях дис­

социативной ионизации электронами 

2  Реакционная  способность  ферроценилалкильных  производных  в условиях ионизации электрораспылением 2.1. Формальный анализ масс­спектров ИЭР 

2 11. Ферропенилалкилазолы 

В масс­спектрах ИЭР ФАЗ  1­23  (Рис  5) присутствуют  аналитически значимые 

пики  молекулярного  иона  [М]+,  протонированной  молекулы  [МЩ+  и  ферроце­

нилалкилкатиона  [FcCH(R)]+ (A+)  Наряду с этими ионами, отражающими состав и 

строение  исследуемых  веществ,  высокую,  часто  максимальную,  интенсивность 

имеют  пики  ионов,  которые  являются  продуктами  ионно­молекулярных  взаимо­

действий  Сюда  относятся  протонированный  ион  димера  [М2Н]+ и  катион бис­

ферроценилалкилазола  [(FcCHR)2Az]+  (биядерный ион  [МА]+), формально возни­

кающий  в результате  алкилирования  исходной  молекулы  ферроценилалкилкатио­

ном  Отметим, что аналогичный заряженный биядерный продукт иногда образует­

ся в реакции азолов с избытком ферроценилкарбинолов при кислотном катализе 

[мг Рис. 5. Процессы ионообразования ферроценилалкилазолов в условиях ИЭР 

7 

Таким образом, при электрораспылении  ФАЗ, наряду  с процессами окисления, 

протонирования  и фрагментации, протекает известная в химии растворов реакция 

ферроценилалкилирования  с образованием  заряженных  продуктов  в области мас­

совых чисел выше  молекулярного  иона исходного  соединения  Это  существенно 

ограничивает аналитические возможности метода ИЭР применительно к нейтраль­

ным  производным  ферроцена,  поскольку  наличие  биядерных  ионов  в  их  масс­

спектрах может привести к неверному  выводу о строении исследуемого соедине­

ния, тем более что бис­ферроценилалкилазолы  могут получаться при синтезе мо­

нопроизводных  Однако, найденные аналогии между процессами, протекающими в 

колбе и при электрораспылении, позволяют использовать этот метод для исследо­

вания реакционной способности производных ферроцена в пограничной зоне жид­

кой и газовой фаз 

2.1.2. Соли ферроценилалкильных производных FcCH(R)X*Y" 

Наряду с нейтральными  ферроценилалкильными  производными изучено также 

поведение в условиях ИЭР пяти ионных соединений 37­41 состава FcCH(R)X+Y' 

Fe '  s 

лгК  1в 

.он 

Fe  X  Fe  fe  О  N­* BF. I®  ^  9B(Ph)4 

37  38  39  40  41 

В масс­спектрах ИЭР этих комплексов присутствуют два основных пика, отве­

чающих  катионному  фрагменту  соли  [FcCH(R)X]+  и  ферроценилалкилкатиону 

[FcCH(R)]+, а 1акже малоинтенсивные пики «кластерных» ионов [(FcCHRX)„Y„ i]+, 

содержащих от двух до пяти молекулярных катионов с соответствующими проти­

воионами Y" (Таблица 3) 

Таблица 3  Интенсивности пиков ионов в масс­спектрах ИЭР солей FcCH(R)X~hY~ Соединение № 

[FcCH(R)]+ 

[FcCH(R)Xf  |M]+ 

[(FcCHMe)3Az­H]+ 

[М2УГ [(FcCHMe)4Az­2H]+ 

fM3Y2f [М4УзГ [M5Y4r 

37 

19,1 72,9 

5,1 

2,9 

38 25,4 71,1 

3,5 

39 24,8 62,9 

12,3 

40 28,8 58,6 

5,0 

3,4 2,8 1,4 

41 

32,3 57,5 8,4 

1,8 

Масс­спектры  солей 37­40, в отличие от спектров нейтральных соединений, не 

содержат «лишних» пиков, что позволяет использовать метод ИЭР для надежной 

идентификации  таких  соединений  Вместе  с  тем  в  спектре  бис­ферроценил­

этилтриазолия  41  присутствуют  пики  ионов  [(FcCHMe)3Az  ­  H]+  (m/z  706)  и 

[(FcCHMe)4Az  ­ 2Н]+  (m/z 917), отвечающих замещению одного или двух атомов 

водорода в исходном катионе на ферроценилэтилкатион  Поэтому при интерпрета­

ции  масс­спектров  ИЭР  солей  ферроценилалкильньгх  производных  также  нужно 

учитывать возможность образования полиядерных ионов 

2.1.3. Ферроценилалканолы FcCH(R)OH 

В условиях ИЭР ферроценилалканолы FcCH(R)OH 24­36 окисляются с образо­

ванием молекулярных ионов  [М]+, пики которых (за исключением соединений 27­

29) имеют максимальную интенсивность  Для большинства из них характерно так­

же дегидрирование с образованием малоинтенсивных  пиков ионов  [М­Н]+ (Табли­

ца 4)  Другие пути ионообразования определяются строением ферроценилалканола 

По формальному признаку можно выделить два типа процессов  фрагментация 

с  образованием  осколочных  ионов  и  ионно­молекулярные  реакции  Процессы 

фрагментации, также как при ионизации электронами, осуществляются с элимини­

рованием  ОН группы, молекулы воды или фрагмента CpFeOH  При этом каждый 

из них не является общим путем распада и реализуется только в случае одного или 

нескольких изученных соединений 

Таблица 4. Интенсивности  (%Х) пиков основных ионов в масс­спектрах ИЭР фер­роценилалканолов  [A2Of = [FcCHR­Q­CHRFcl+ 

Соедин  № Ион 1МГ ГМ­Hf (М­Н20]+ 

[М­ОН]+ (А+) FA2Of 

24  25  26  27  28  29  30  31  32  33  |  34  35 

90,8 2,1 

7,1 

86,5 2,0 

11,5 

100,0  0,9 0,5 

6,0 59,8 

4,0 

46,3 

3,8 

5,7 

0,5 93,8 

93,0 4,8 

1,9 

99,1 0,9 

98,0 2,0 

57,4 0,7 0,8 

41,1 

94,7  87,2 

3,8 

В отличие от ФАЗ, которые при ИЭР отщепляют азолильный радикал, образуя 

ферроценилалкилкатион  [FcCH(R)]+  (А4),  ФАЛК  элиминируют  гидроксильную 

группу только в жестких условиях при высоких температурах капилляра, что обу­

словлено более высокой прочностью С­О по сравнению с C­N связью и более низ­

кой стабильностью гидроксильного радикала по сравнению с радикалом аромати­

ческого  гетероцикла  Исключение  составляет  1,Г­5кс(о­гидроксиэгил)ферроцен 

33, в масс­спектре ИЭР которого выход иона [М­ОН]+, составляет 41,1 % (Таблица 

4)  Механизм этого процесса будет обсужден в следующем разделе 

В масс­спектрах ИЭР ФАЛК отсутствуют пики протонированных молекул, как 9 

это  характерно  для  ферроценилалкилазолов  Аналогичная  ситуация  наблюдалась 

Хэндерсоном с сотр  (W  Henderson et al, Polyhedron,  1996,15,  1165) в случае фер­

роценилметанола  FcCH2OH  и  Л­'Л ­диметиламинометилферроцена  FcCHaNlVfe 

первый из них подвергался  окислению, а второй ­  протонированию, что обуслов­

лено более низким сродством к протону спиртов по сравнению с аминами 

В  случае соединений  24, 25, 27­29 реализуются  ионно­молекулярные  реакции 

ферроценилалкилирования  с  образованием  ионов  соответствующих  эфиров 

[FcCHR­0­CHRFc]+  (Таблица 4), аналогично тому, как это происходит с ферроце­

нилалканолами при термолизе и в кислых растворах  Отметим, что в масс­спектре 

ИЭР эквимолярной смеси карбинолов FcCH2OH (24) и FcCH(Me)OH (25), наряду с 

продуктами  ферроценилалкилирования  каждого  из  них  [FcCH2­0­CH2Fc]+  и 

[FcCH(Me)­0­CH(Me)Fc]+,  соответственно,  присутствует  также  ион  [FcCH2­0­

CH(Me)Fc]+, отвечающий продукту «перекрестного» ферроценилалкилирования 

Таким  образом,  при ИЭР  ферроценилалканолов  реализуются  следующие про­

цессы  окисление с образованием  молекулярных  ионов, фрагментация  с отщепле­

нием  ОН­группы  и/или  молекулы  воды,  а  также  ионно­молекулярные  реакции  с 

образованием ионов соответствующих эфиров p?cCH(R)­0­CH(R)Fc]+ 

2.2  Влияние экспериментальных условий на характеристики масс­спектров 

ИЭР ферроценилалкильных производных 

Полный ионный ток (ПИТ) и интенсивности пиков ионов в масс­спектрах ИЭР 

ферроценилалкильных  производных  существенно зависят  от условий  проведения 

эксперимента, а именно ­  температуры обогреваемого капилляра (Т, °С), скорости 

потока мобильной  фазы  (V, мкдхмин"1), электрического  потенциала  (U, кВ), кон­

центрации  вещества  (С, мольхл"')  и дипольного  момента  растворителя  (D, Д)  В 

таблице  5  приведены  данные  масс­спектров  ИЭР  1­А?­(ферроценилме­

тил)бензимидазола (2) в растворах метанола (МеОН) и ацетона (МегСО), получен­

ных при различных значениях V, Т, С и D 

Видно, что  выходы  некоторых ионов могут изменяться  более чем на порядок 

величины в зависимости от условий проведения эксперимента  В частности, выход 

биядерного иона изменяется  от 0,6 до 58,2%  При этом степень влияния каждого 

параметра  зависит  от значений  других  параметров  Например, выход  биядерного 

иона при температуре  капилляра  110°С увеличивается  с ростом  скорости  потока 

мобильной фазы в полтора раза (опыты №13 и №14), тогда как при 150°С ­  в 30 раз 

(опыты №15 и №16)  Следует также отметить, что каждый параметр в разной сте­ю 

пени влияет на выходы разных ионов  Так, повышение температуры от  100°С до 

150°С практически не влияет на выход биядерного иона, тогда как выход протони­

рованного димера [М2Н]+ снижается в четыре раза (опыты №9 и №11) 

Таблица 5. Значения экспериментальных параметров, дипольного момента раство­рителей, (ПИТх Ю"6) и интенсивностей пиков основных ионов (%Ј) в масс­спектрах ИЭР  1­(ферроценилметил)бензимидазола  (2),  полученных  в  разных  эксперимен­тальных условиях  [МА]+ = (T^CH2­BIm­CH2Fc]+ 

on 1 2 3 4 5 6 7 8 9 

10 11 12 13 14 IS 16 

V, мклхмин1 

10 100 

10 100 10 

100 10 

100 10 

100 10 

100 10 

100 10 

100 

т, °с 

по по 150 150 110 

по 150 150 ПО 

по 150 150 

по ПО 150 150 

с, мкгхмкл­1 

0,01 0,01 0,01 0,01 0,10 0,10 0,10 0,10 0,01 0,01 0,01 0,01 0,10 0,10 0,10 0,10 

D, д 

1,71 1,71 1,71 1,71 1,71 1,71 1,71 1,71 2,85 2,85 2,85 2,85 2,85 2,85 2,85 2,85 

пит, отн  ед. 

33,2 29,0 31,8 54,6 97,8 116,1 57,2 78,2 1,24 1,82 0,24 0,90 0,16 0,53 0,91 0,52 

|FcCH2]+ 

7,3 5,3 22,6 21,9 14,9 10,2 22,3 22,1 20,1 12,3 55,7 26,4 21,8 14,9 57,7 15,6 

(М|*  |МН1+  JMA1* интенсивность, % 

0,0 1,2 0,0 0,0 0,0 0,4 1,2 0,0 6,6 2,9 0,8 5,4 5,3 0,0 14,8 0,4 

91,9 91,7 76,2 76,3 82,0 86,0 72,2 72,4 52,3 79,1 37,5 63,1 27,1 59,6 19,7 22,4 

0,6 1,7 1,0 1,4 2,8 3,2 3,6 5,0 0,8 0,5 0,9 1,7 12,2 18,8 1,9 

58,2 

|М2Н|* 

0,2 0,1 0,2 0,4 0,4 0,2 0,7 0,5 20,2 5,1 5,1 3,4 33,5 6,6 6,0 3,5 

Существенное  влияние  на  масс­спектры  ИЭР  оказывает  также  состав  газовой 

фазы  в  ионном  источнике,  как  это  показано  в  таблице  6  на  примере  1­

(ферроценилметил)индазола  (6)  Видно, что насыщение ионного источника парами 

воды, метанола,  ацетонитрила, уксусной кислоты, изо­пропанола, ацетона или ам­

миака (в источник ионов помещался сосуд с соответствующим растворителем) мо­

жет приводить к изменению выхода ионов  более чем на два порядка величины 

Таблица 6. Влияние состава газовой фазы в ионном источнике на масс­спектр ИЭР 1­(ферроценилметил)индазола(б) 

[Ион]+ 

ГАГ fM­Hf ГМГ [МН]+ 

гм2г гм2нГ ПИТх 10"5 

пар РА 

199 315 316 317 632 633 

Н , 0 173,5 0,8 3,4 29,7 29,2 7,3 29,6 59,0 

МеОН 185,6 0,6 

1,6 60,1 21,4 2,6 13,7 12,9 

MeCN 191,5 3,2 1,2 

50,4 11,5 

5,1 28,7 7,2 

МеСООН 191,8 4,6 0,0 7,7 

65,5 4,5 17,7 56,5 

г­РЮН 194,2 3,9 1,2 

86,3 5,8 

1,1 1,8 5,6 

Ме2СО 198,5 

1,6 0,6 

92,9 4,4 0,2 0,3 2,9 

NH3 

207,0 0,7 1,3 

81,3 0,0 7,0 9,7 12,7 

При этом выход протонированного иона  [МН]+ находится в линейной зависимости 

от протонного сродства растворителя РА в соответствии с уравнением 

[МН]+ = ­0,948 PA + 193,7 (n=6, R=0,970)  Это свидетельствует о том, что протони­

рование ФАЗ осуществляется в газовой фазе 

Все эти результаты свидетельствуют о сложном характере процессов новообра­

зования  ферроценилалкильных  производных  при  ИЭР,  что  требует  тщательного 

выбора  оптимальных  условий  регистрации  масс­спектров  ИЭР  в  зависимости  от 

решаемой  задачи  При  идентификации  веществ  необходимо  работать  в  условиях 

максимального  выхода  молекулярного  и/или  протонированного  ионов, тогда как 

при исследовании ионно­молекулярных реакций, напротив, нужно подбирать усло­

вия для увеличения выхода биядерных ионов 

Поскольку вид масс­спектра ИЭР зависит, по крайней мере, от пяти рассмотрен­

ных параметров, то для оптимизации процесса по классической  схеме проведения 

эксперимента,  когда  изучается  зависимость  измеряемой  величины  от  каждого  из 

пяти  параметров  при  фиксированных  значения  оставшихся  четырех,  необходимо 

поставить  более  15000  экспериментов  (55)  при  варьировании  параметров  на пяти 

уровнях, что является практически невыполнимой задачей  Поэтому для выяснения 

степени влияния каждого экспериментального параметра на масс­спектры ИЭР был 

использован  метод полного  факторного  эксперимента для трех, четырех или пяти 

переменных, варьируемых на двух уровнях (планирование 23, 24 или 2 )  При этом 

необходимо поставить всего 8, 16 или 32 эксперимента, соответственно, для изуче­

ния влияния 3,4 или 5 параметров 

В  таблице  5  приведен  пример  такого  планирования  для  4  переменных  X|=V, 

х2=Т, Хз=С и X4=D, варьируемых  на двух уровнях  (планирование  24)  V (10 и  100 

мклхмин"1), Т (110°С и  150°С), С (0,01 и 0,10 мкгхмкл"1) и D (1,71 Д для МеОН и 

2,85 Д для Ме2СО), а также значения ПИТ* Ю­6 и интенсивностей пиков некоторых 

ионов в масс­спектрах ИЭР 1­(ферроценилметил)бензимидазола  (2), полученых при 

различных  значениях  экспериментальных  параметров  Результаты  статистической 

обработки планового эксперимента представлены в таблице 7 в виде коэффициен­

тов регрессии  (b,bj)  интерполяционного уравнения  (5), где у  ­  ПИТ или интенсив­

ность пика каждого иона (%Ј), Ъ0 ­  свободный член, х, ­  варьируемый параметр 

У  = bo+b]X]+b2X2+b3X3­4­b!b2X1X2+b1b3XlX3+b2b3X2X3+bIbib3XiX2X3  (5) 

Видно, что все экспериментальные параметры влияют, но в разной степени, на 

выходы  всех  ионов  Так,  повышение  температуры,  концентрации  и  дипольного 

момента растворителя  приводит к увеличению доли биядерных  ионов  [МА]+ (по­

ложительные значения Ь,) и к снижению выхода протонированных молекул (отри­12 

нательные значения b,), то есть процессы протонирования и ферроценилалкилиро­

вания  являются  конкурирующими  Высокие  значения  коэффициентов  регрессии 

при  нелинейных  членах  свидетельствуют  о  взаимодействии  экспериментальных 

факторов  Например, коэффициенты при Т и С для интенсивности ферроценилме­

тилкатиона  [FcCH2]+ (A+), являются положительными, тогда как коэффициент при 

нелинейном члене ТС имеет отрицательное значение 

Таблица  7  Коэффициенты  регрессии  (6,)  интерполяционного  уравнения  (5)  для ПИТхЮ  и  интенсивностей  пиков  основных  ионов  в  масс­спектрах  ИЭР  1­(ферроценилметил)бензимидазола  (2)  [МА]+ = [FcCH2­BIm­CH2Fc]+

  Курсивом обо­значены статистически незначимые коэффициенты 

пит |А|* [Mf 

ПмнГ [MAf |М2Н]* 

ч 31,5 21,9 2,4 63,1 7,1 5,4 

V 

3,7 ­5,8 ­1,2 5,7 4,2 ­2,9 

т ­3,5 8,6 0,4 ­8,1 2,1 ­2,9 

С 12,4 0,5 

0,3 ­7,9 6,1 1,0 

D 

­30,7 6,1 2,1 ­18,0 4,7 5,0 

VT 

1,8 

­3,2 ­0,2 ­2,2 

3,2 р,4 

VC 

1,2 

•0,9 

­1,4 ­0,8 

3,9 ­0,8 

VD 

­3,5 ­4,9 

5,2 3,8 ­2,9 

тс ­6,3 ­1,6 0,9 ­0,4 

1,9 ­0,9 

TD 

3,3 2,2 0,4 ­1,3 1,7 ­3,0 

CD ­12,7 ­/,/ 0,3 ­5,0 4,8 0,9 

VTC 

­1,6 

­0,6 

­1,1 ­2,0 

3,1 0,7 

VTD 

­1,9 

­3,9 0,1 

г 1,7 3,2 2,4 

VCD 

­1,4 •0,6 

­1,2 ­1,3 3,9 1о,8 

ГСП 

6,6 0,0 

0,7 •1,3 1,6 ­0,9 

VTCD 

1,5 

rll 

­1,1 ­1,5 3,0 0,7 

Вид  масс­спектров  ИЭР  ферроценилалканолов  также  существенно  зависит от 

условий проведения эксперимента  В таблице 8 приведены масс­спектры ИЭР фер­

роценилметанола FcCH2OH (24),  1­ферроценилэтанола FcCH(Me)OH (25) и их эк­

вимолярной смеси (даны в скобках), полученные при разных значениях U, Т, V 

Таблица 8. Интенсивности пиков ионов (%Ј) в масс­спектрах ИЭР FcCH2OH (24) и FcCH(Me)OH (25), полученных в разных экспериментальных условиях 

U , K B 

т,°с V, мклхмин'1 

Соединение 

FcCH2OH 

FcCH(Me)OH 

Ион 

[FcCH2f 

[Mf 

[FcCH2OCH2Fc]+ 

[FcCH(Me)f 

[МГ 

[FcCHMeOCHMeFcf 

4,5 90 

10  |50 150 

10  (50 

6 90  !  150 

10  |50  jlO  |50 

0,0 (2,0) 96,1 

(89,3) 36 

(8,7) 0,4 

(0,0) 71,4 

(70,7) 25,3 

(28,1) 

0,0 (1,9) 92,8 

(94,9) 7,2 

(3,2) 0,0 

(0,0) 85,7 

(79,8) 11,4 

(19,7) 

0,4 (5,9) 64,1 

(76,5) 34,1 

(15,9) 0,6 

(1,2) 55,5 

(53,5) 33,4 

(41,7) 

1,6 (5,9) 86,6 

(84,4) 11,9 (8,1) 

1,2 (0,4) 62,4 

(56,3) 33,1 

(36,0) 

0,3 (4,4) 87,0 

(79,2) 12,7 

(16,4) 0,4 

(1,8) 65,7 

(53,6) 30,6 

(39,1) 

0,0 (3,6) 93,2 

(92,0) 6,8 

(4,4) 0,0 

(2,0) 86,9 

(81,4) 11,8 

(16,4) 

3,8 (53,0) 

39,1 (35,2) 

57,1 (11,0) 

2,1 (37,4) 

58,5 (21,4) 

32,4 (28,2) 

0,0 (54,3) 

82,4 (33,6) 

17,3 (12,0) 

1,3 (36,9) 

64,6 (32,6) 

31,2 (25,4) 

Видно, что выходы некоторых ионов могут изменяться на порядок величины в 

зависимости от экспериментальных параметров  При этом соотношения интенсив­

ностей пиков ионов в спектрах индивидуальных  соединений и в спектре их экви­

молярной смеси тоже сильно различаются, то есть добавление второго компонента 

также влияет на вид масс­спектра 

Из таблицы 9, в которой приведены результаты статистической обработки пла­

нового  эксперимента,  следует,  что наибольшее  влияние  на  интенсивности  пиков 

молекулярных  [М]+ и биядерных ионов [FcCH(R)­0­CH(R)Fc]+ (R=H или Me) ока­

зывают температура обогреваемого капилляра и скорость потока мобильной фазы 

При этом повышение скорости потока, что эквивалентно уменьшению времени на­

хождения веществ в «реакционной» зоне, приводит к снижению выхода биядерных 

ионов  с  соответствующим  увеличением  доли  молекулярных  ионов  Повышение 

температуры увеличивает выход биядерных ионов с параллельным снижением вы­

хода молекулярных ионов  Эти зависимости свидетельствуют о генетической связи 

этих  ионов  Действительно,  если молекулярный  ион является  предшественником 

биядерного иона, то уменьшение времени реакции должно снижать, а повышение 

температуры ­  повышать его выход  Это позволяет предположить, что биядерный 

ион образуется при взаимодействии молекулярного иона с нейтральной молекулой, 

а не в результате атаки ферроценилалканола ферроценилалкилкатионом (см  ниже) 

Таблица 9. Результаты планового эксперимента  Коэффициенты регрессии (Z>,) ин­терполяционного уравнения (5) для интенсивностей основных пиков ионов в масс­спектрах ИЭР ферроценилалканолов  FcCtkOH (24) и FcCH(Me)OH (25) Курсивом обозначены статистически незначимые коэффициенты Соединение FcCHjOH FcCH(Me)OH FcCH2OH FcCH(Me)OH FcCH2OH FcCH(Me)OH 

Ион [FcCH(R)f 

[МГ 

[(FcCHR)2Of 

bo

0,76 0,75 80,15 68,84 18,85 26,16 

V ­0,37 ­0,11 8,59 6,04 ­8,04 ­4,28 

T 0,68 0,56 

­12,11 ­8,60 11,27 6,37 

U 0,27 0,21 •4,74 

0,08 

4,65 0,35 

VT ­0,29 0,07 7,86 ­2,81 

­7,47 3,91 

VU ­0,66 ­0,19 3,80 

0,75 

­3,39 ­0,73 

TU 0,19 0,20 ­2,56 

1,21 2,47 ­1,06 

VTU ­0,57 ­0,19 1,42 

­0,95 

­1,01 

0,50 

Таким образом, планирование эксперимента позволяет при минимальном числе 

опытов получить количественную оценку влияния на спектры ИЭР каждого экспе­

риментального параметра и их взаимодействий  Это, в свою очередь, позволяет це­

ленаправленно  подбирать  оптимальные  условия  регистрации  масс­спектров  ИЭР 

для  решения  аналитических  или  исследовательских  задач  При  этом  необходимо 

иметь  в  виду, что масс­спектры  смесей не  аддитивны  спектрам  индивидуальных 

соединений  и  в  них  могут  присутствовать  «лишние»  пики,  отвечающие  «пере­

крестному»  ферроценилалкилированию 

2.3. Процессы ферроценилалкилирования в условиях электрораспылепия 

Формальный  анализ  масс­спектров  ИЭР  изученных  соединений  показал,  что, 

наряду с характерными для этого метода ионизации процессами окисления, прото­

14 

нирования  и фрагментации, при ИЭР  ферроценилалкилазолов  и  ферроценилалка­

нолов FcCH(R)X  (X = Az или ОН) реализуется также реакция ферроценилалкили­

рования с образованием  ионов бис­ферроценилалкилазолов  [FcCH(R)AzCH(R)Fc]+ 

и ферроценилалкиловых  эфиров  [FcCH(R)OCH(R)Fc]+, соответственно  Аналогич­

ные биядерные продукты иногда образуются в обычных условиях  первый из них  ­

при реакции азолов с избытком ферроценилалканола, а второй ­  при подкислении 

растворов ферроценилалканолов 

В масс­спектре ИЭР эквимолярной смеси 1­(ферроценилметил)пиразола (8) и 1­

(ферроценилэтил)­2­метилимидазола  (42), наряду с биядерными ионами, отвечаю­

щими ферроценилалкилированию каждого компонента  [FcCH2PzCH2Fc]+ (m/z 465) 

и [FcCH(Me)­ImMe­CH(Me)Fc]+ (m/z 507), присутствует также продукт «перекрест­

ного» ферроценилалкилирования  [FcCH(Me)­ImMe­CH2Fc]+ (m/z 493) (Рис  6) 

mix  294 

l f \ j  W * 

продукт  «перекрестного» ферроценилалкилирования 

Рис  6. Масс­спектр ИЭР эквимолярной  смеси ферроценилметилпиразола  (8) и 1­(ферроценилэтил)­2­метилимидазола  (42) 

Исхода из того, что ФАЗ при ИЭР подвергаются  ферроценилалкилированию  с 

образованием ионов бмс­ферроценилалкилазолов,  можно было предположить, что 

в этих условиях будет протекать классическая реакция  ферроценилалкилирования 

азолов  ферроценилкарбинолами  Действительно,  при совместном  распылении  эк­

вимолярной  смеси  ферроценилметанола  FcCHbOH  (24)  и  2­метилимидазола  (43), 

наряду с ионами, характерными для каждого компонента смеси, образуется также 

протонированная  молекула  ферроценилметилимидазопа  (РсСНгТт+Н]  (m/z 281) 

(Рис  7) 15 

93­ i 

es­i 

7S­I 

70­3 

es­i 

eel 4 s l 

40­ | 

3 5 | 

3 o | 

2S­ | 

г о ­ | 

1 ° 3 

e­f 

so 

A ^ H ­ * ' 

m /z  S3 

[ A J H ]  , + H 

m / x l Z 4 

12­4 I 

Г. . . . 1 . "Д. . , TOO  120  140 

m / И в Э 

1 6 5 

2 H 

,e1 1 6 0 

1 6 6 

1 3 0 

«ST' т / ж  199 

189 

. 

п р о д у к т ф е р р о ц е н и л а л к и л и р о в а н и я 

га/в 216  ^ / 

/  . / 200216'  247я*  2 7 3 

2 0 0 

­й­ ­чЪ* 

­_,­t­

F c C H j A j i H + H  ' 

[JtxH]  ,­Ь  Н 

т / ж  247  ,  ^ 

2в2  Ј? pS Z

  <SЈ2*  оУ«  414 

^ ^  2SO  240  260  2SO  ЗОО  3 2 0  34С  з б о  зао  4оо  4 г о 

Рис  7  Масс­спектр ИЭР эквимолярной смеси ферроценилметанола (24) и 2­метил­имидазола (43) 

Таким  образом,  впервые  установлено,  что  при  электрораспылении  ферроце­

нилалкилазолов, ферроценилалканолов,  а также смесей последних с азолами про­

текают известные в химии растворов реакции ферроценилалкилирования 

2.4.  О механизмах ценообразования ферроценилалкильных производных в ус­

ловиях ионизации электрораспылением 

2 4.1.  Ферроценилалканолы 

По формальному признаку можно выделить три типа процессов новообразова­

ния в условиях ИЭР ФАЛК  окисление, фрагментация и ионно­молекулярные ре­

акции  Как  уже  отмечалось  выше  в  масс­спектре  ИЭР  1,Г­бмс(а­

гидроксиэтил)ферроцена  (33) присутствует  интенсивный  пик иона  [М­ОН]+  Этот 

результат является неожиданным, поскольку даже в масс­спектре ИЭ этого соеди­

нения пик иона [М­ОН]+ отсутствует, а основным направлением фрагментации яв­

ляется процесс дегидратации  молекулярного иона  Кроме того, в МС/МС спектре 

молекулярного иона 33, образующегося при ИЭР, также нет пика иона [М­ОН]+, а 

максимальную интенсивность имеет пик иона [М­Н20]+ Можно предположить, что 

ион [М­ОН]+ не является продуктом фрагментации, а образуется через стадию про­

тонирования  исходного  соединения ионами  гидроксония,  которые  всегда присут­

ствуют  в условиях  ИЭР, с  последующим  быстрым  отщеплением  молекулы воды 

(Рис  8)  В результате образуется протонированный циклический эфир (С) 

Возможна также дегидратация нейтральной молекулы (как это происходит при 

термолизе и в кислых средах) с последующим лротонированием  образовавшегося 

циклического  эфира 36 (Рис  9)  Для проверки этого предположения был измерен 

масс­спектр  ИЭР  циклического  эфира  36  и  установлено,  что  он  не  подвергается 

протонированию в условиях ИЭР, то есть эта схема образования иона [М­ОН]+ мо­16 

жет быть исключена 

33  ' 

н3о +  >н2 

­Н ,0 

m/z274  т/г275  т/г  257  (С) 

Рис  8.  Схема образования иона [М­ОН]+ из соединения 33 через стадию протежи­рования исходной молекулы (ДН = ­52,4 ккал^моль ') с последующим быстрым от­щеплением молекулы воды (ДН = +23,4 ккалхмоль"1)  Суммарный тепловой эффект ­29,0 ккалхмоль"1 

­Н20 T\^I 

­н 

33  '  36 

m/2 274  m/z 256  m/z 257  (С) 

Рис. 9. Схема образования иона  [М­ОН]+ из соединения 33 через стадию дегидра­тации  нейтральной  молекулы  с последующим протонированием  образовавшегося циклического эфира 

Для выяснения возможности реализации схемы, включающей  протежирование 

исходной  молекулы  (Рис  8), был получен  масс­спектр  ИЭР  1,Г­б«с(а­гидрокси­

этил)ферроцена  (33) при насыщении  ионного источника  парами тяжелой воды (в 

ионный источник помещали сосуд с D20)  В этом случае ион [М­ОН]+ должен со­

держать дейтерий  Действительно, пик иона [М­ОН]+ (m/z 257) частично смещается 

к m/z 258 и согласно расчету 61,6% ионов  [М­ОН]  содержат один атом дейтерия 

(Таблица 10) 

Таблица  10. Интенсивности пиков ионов (%Imax) и процентное содержание дейте­рированных  ионов  при  регистрации  масс­спектра  ИЭР  ферроценилалканола  33 в присутствии паров D2Q в ионном источнике 

Ион [M­OHf(H) [M­OHf(D,) ГМ1+(Н) [МГФ,) [Mf  (D2) 

m/z 

257 258 274 275 275 

%Т 9,3 14,8 19,5 97,0 100,0 

%D 

61,6 

44,8 46,2 

Однако  при  этом  наблюдается  также  частичный  сдвиг  молекулярного  иона 

(т/г 274) на одну и две единицы в сторону высоких масс, то есть исследуемый кар­

бинол подвергается изотопному обмену водорода  Это обстоятельство не позволяет 

сделать окончательный выбор между двумя оставшимися схемами образования ио­

на [М­ОН]+, поскольку ион с m/z 258 может возникать не только в результате про­

тежирования,  но и в результате фрагментации монодейтерированного и дидейтери­

рованного молекулярных ионов, с потерей ОН и OD, соответственно 

Результаты квантово­химических расчетов показали, что элиминирование ради­

кала  ОН  из  молекулярного  иона  33  требует  больших  затрат  энергии  (+72,8 

ккалхмоль"1), а более вероятной схемой образования ионов [М­ОН]+ при ИЭР явля­

ется протонирование молекулы 33 ионом гидроксония НзО+ (ДН=­52,4ккалхмоль"') 

с последующей  быстрой  дегидратацией  протонированной  молекулы  (ДН = +23,4 

ккалхмоль"1), то есть в целом этот процесс является экзотермическим с энтальпией 

равной ­29 0 ккалхмоль"1 (Рис  8)  Отсюда следует, что образование иона [М­ОН]+ 

при ИЭР лишь формально можно отнести к процессу фрагментации, тогда как на 

самом деле он образуется  через стадию ионно­молекулярной  реакции протониро­

вания, протекающей в газовой фазе 

Изотопный  обмен  водорода  (ИОВ) в условиях  ИЭР может  происходить  как в 

растворе  ферроценилалканолов  в тяжелой воде, так и в газовой фазе между моле­

кулярными ионами и парами D2O  С целью выяснения схемы ИОВ были измерены 

масс­спектры  ИЭР  некоторых  ферроценилалканолов  в  трех  режимах  1) раствор 

вещества в чистом ацетонитриле (MeCN) при насыщении ионного источника пара­

ми D20  (в ионизационную камеру помещали сосуд с D20) (опыт № 1, таблица 11), 

2) раствор вещества в смеси MeCN/D20 (1 1 об ) (опыт №2), 3) раствор вещества в 

смеси MeCN/D20 при насыщении ионного источника парами тяжелой воды (опыт 

№3)  Параллельно  были  получены  масс­спектры  ИЭ  соединений  24  и  26  после 

«промывки»  ионного источника парами  D20  (перед  регистрацией  масс­спектра  в 

ионизационную камеру испаряли каплю D20)  (опыт №4) и после высушивания их 

растворов в смеси MeCN/D20  (опыт №5)  Во всех случаях наблюдался частичный 

сдвиг молекулярных ионов на одну единицу m/z в сторону тяжелых масс, то есть 

происходил ИОВ  Из таблицы  11, где приведено процентное содержание дейтери­

рованных молекулярных ионов, видно, что уже при растворении  ферроценилалка­

нолов в смеси MeCN/D20 они подвергаются ИОВ на 42­47%  Причем анализ масс­

спектров  ГОР  растворов  соединений  24, 25, 33 в смеси MeCN/D20  (опыт №2) и 

масс­спектров ИЭ 24, 26, полученных после упаривания растворителя  (опыт №5), 

дает  практически  одинаковые  результаты  Отсюда  следует,  что  ИОВ  на 42­47% 

осуществляется  в жидкой  фазе еще до процесса ИЭР  Насыщение ионного источ­

ника ИЭР парами D20  увеличивает содержание дейтерия до 65­70%, то есть ИОВ 

при ИЭР на 23% происходит также в газовой фазе 

18 

Таблица  11  Процентное  содержание дейтерированных  молекулярных  ионов при регистрации  масс­спектров  ИЭР  и ИЭ  соединений  24­26  и  33  с  использованием D20  ,  ,  , 

№ опыта Растворитель 

Пары D20 №соедин 

24 

25 26 

33 

1 MeCN есть 

70,3 69,8 

65,4 

ИЭР 2 

MeCN/D20 нет 

47,1 42,3 

42,5 

3 MeCN/D20 

есть 

73,0 69,0 

65,8 

4 MeCN есть 

10,9 

11,3 

ИЭ 5 

MeCN/D20 нет 

42,5 

42,2 

Как уже отмечалось выше, при ИЭР ферроценилалканолов реализуется извест­

ная в химии растворов реакция ферроценилалкилирования с образованием ионов 

соответствующих эфиров [FcCRR'­O­CRR'Fc]"1" Можно предложить две схемы 

протекания этого процесса в условиях ИЭР  (а) атака молекулы спирта ферроце­

нилалкилкатионом с последующим отщеплением атома водорода и (Ь) взаимодей­

ствие молекулы спирта с его молекулярным ионом с отщеплением молекулы воды 

FcCH2OH + FcCH2+ ­•  [FcCH2­0­CH2Fc]+ + Н *  ДН = +57,8 ккалхмоль"1 (а) 

FcCH2OH + [FcCH2OH]+  ­» [FcCHrO­CH2Fcf  + Н20  ДН = ­7,8 ккалхмоль"1 (Ь) 

Квантово­химические  расчеты  показали,  что  второй  процесс  (ДН  =  ­7,8 

ккалхмоль"1) намною выгоднее первого (ДН = +57,8 ккалхмоль'), то есть ферроце­

нилалкилирование осуществляется путем взаимодействия нейтральной молекулы с 

ее молекулярным ионом 

2.4 2. Ферроцевилалкилазолы 

Для выяснения механизмов процессов новообразования производных ферроце­

на в условиях ИЭР были получены масс­спектры ИЭР некоторых ФАЗ с использо­

ванием  дейтерированных  растворителей  D20  и  MeOD,  а  также  при  насыщении 

ионного  источника  парами  тяжелой  воды  или  дейтерометанола  При  ИЭР  1­АГ­

(ферроценилметил)бензимидазола  (2)  в  MeCN  в  присутствии  паров  D20,  ионы 

[МН]Т и [М2Н]+ обогащаются дейтерием на 62,7 и  15,0%, соответственно, тогда как 

ферроценилметилкатион  [FcCH2]+ и  биядерный  ион  [(FcCH2)2BIm]+  дейтерий  не 

содержат  Отсюда следует, что, во­первых,  протежирование  и образование прото­

нированного димера по крайней мере на 62,7% и  15,0%, соответственно, происхо­

дит в газовой фазе, а во­вторых, протон присоединяется к азолильному фрагменту, 

поскольку ферроценилалкилкатион не содержит дейтерий (Таблица 12) 

19 

Таблица  12  Процентное  содержание  дейтерированных  ионов  при  регистрации масс­спектров  ИЭР  1­(ферроценилметил)бензимидазола  (2)  в  присутствии  паров тяжелой воды и при использовании дейтерированных растворителей 

растворитель пары 

IFcdb f  (D,) ГМНГ  (D,) [(FcCH2)BImf  (D,) [M2Hf  (D,) 

MeCN D20 0,0 62,7 0,0 15,0 

MeCN/D20 нет 0,0 11,4 63,7 0,0 

MeOD нет 0,0 2,9 92,8 0,0 

Использование  в  качестве  растворителей  MeOD  и  смеси  MeCN/D20  (11  об ) 

приводит к обогащению дейтерием протонированной  молекулы только на 2,9% и 

11,4%, соответственно (Таблица  12)  Это подтверждает вывод о том, что протони­

рование осуществляется  в основном в газовой  фазе  Интересно, что при распыле­

нии 1­(ферроценилметил)бензимидазола  (2) из дейтерированных растворителей со­

держание дейтерия в биядерном ионе (63,7% в MeCN/D20 и 92,8% в MeOD) суще­

ственно выше, чем в ионе [МН]+  Это свидетельствует о возможности протекания 

быстрого ИОВ в этом ионе в процессе электрораспыления 

На  примере  1­(ферроценилметил)пиразола  (8)  и  1­(ферроценилэтил)­2­метил­

имидазола  (42) выполнены  квантовохимические расчеты теплот  возможных реак­

ций образования основных ионов, наблюдаемых в масс­спектрах ИЭР этих соеди­

нений  (Таблица  13)  При  этом  в  качестве  окислителя  и  протонирующего  агента 

принят ион гидроксония  (реакции 2 и 4), который всегда присутствует в условиях 

ИЭР 

Из  трех  возможных  путей  образования  ферроценилалкилкатионов  в условиях 

ИЭР, а именно  фрагментация молекулярного иона с выбросом азолильного ради­

кала  (реакция  5),  гетеролитический  распад  нейтральной  молекулы  (реакция  6) и 

протонирование  с  последующим  выбросом  молекулы  азола  (реакция  7),  как  и  в 

случае ферроценилалканолов, наиболее энергетически  выгодной является реакция 

7  (Таблица  13)  Отсюда  следует,  что  ферроценилалкилкатион  лишь  формально 

можно отнести к продуктам фрагментации, тогда как на самом деле он образуется 

через стадию протонирования исходной молекулы 

Катионы  бкс­ферроценилалкилазолов  [FcCHR­Az­CHRFc]+  могут  возникать 

тремя способами в результате взаимодействия исходной молекулы ферроценилал­

килазола  1) с ее протонированной  формой  (реакция  8), 2)  с  ферроценилажилка­

тионом (реакция 8'),  3) с молекулярным ионом (реакция 9)  Из таблицы  13 видно, 

что реакция 9 энергетически не выгодна по сравнению с реакциями 8 и 8', которые 20 

в соответствии с законом Гесса имеют одинаковый тепловой эффект  Какая из этих 

реакций 8 или 8'осуществляется на практике, будет зависеть от величин их энергий 

активации 

Таблица  13.  Теплоты  возможных  реакций  образования  ионов,  наблюдаемых  в масс­спектрах ИЭР ферроценилалкилазолов FcCH2Pz 8 и FcCH(Me)Im­2­Me 42 

on 1 2 

3 4 

5 6 7 

8 

8' 

9 

10 

11 

Реакция окисления FcCH(R)Az ­* FcCH(R)Az"  + ё (IP) FcCH(R)Az + Н30+ ­> FcCH(R)Az+  + Н20 + Н 

Реакция протонирования FcCH(R)Az + Ff  ­>FcCH(R)Azlf  (СП) FcCH(R)Az + Н30+  ­> FcCH(R)AzfiT + Н20 

Реакции образования  ферроценилалкилкатиона FcCH(R)Az + Н30+ ­»FcCH(R)Az+" ­>  FcCH(R)+ + Az FcCH(R)Az  ­»  FcCH(R)+ + Az ~ FcCH(R)Az + H30+ ­* FcCH(R)AzH+ ­> FcCH(R)+ 

Реакции  ферроценилалкилирования FcCH(R)Az + H30+ ­> FcCH(R)AzFf  + H20 FcCH(R)AzH* + FcCH(R)Az ­ •  FcCH(R)­Az­CH(R)Fc+ + AzH FcCH(R)Az + H30+ ­» FcCH(R)AzH+ + H20 FcCH(R)AzH*'­>  FcCH(R)+ + AzH FcCH(R)+ +FcCH(R)Az­^  FcCH(R)­Az­CH(R)Fc+ 

FcCH(R)Az + H30+ ­* FcCH(R)Az+  + H20 + H FcCH(R)Az+  + FcCH(R)Az­»  FcCH(R)­Az­CH(R)Fc++ Az 

Реакция «перекрестного»  ферроценилалкилирования FcCH2Pz + H30+ ­» FcCHaPzH* + H20 FcCH2PzFT + FcCH(Me)ImMe ­» FcCH(Me)­ImMe­CH2Fc+ + PzH FcCH(Me)ImMeH + H3Cf ­+ FcCH(Me)ImMeH++  Н20 FcCH(Me)ImMetf  + FcCH2Pz — FcCH2­Pz­CH(Me)Fc+ + ImMeH 

ДН, ккалхмоль"1 

8 6,39 эВ 16,56 

­266,94 ­ 85,03 

95,94 172,72 ­ 27,68 

­79,13 

44,46 

­ 81,73 

­ 79,26 

42 6,48 эВ 17,57 

­ 254,58 ­ 76,66 

71,60 

­ 38,76 

­ 82,56 

Таким образом, квантовохимические расчеты показали, что основной набор ио­

нов (кроме молекулярного) при ИЭР ферроценилалкильных  производных образу­

ется  через  стадию  протонирования,  а  именно  ферроценилалкилкатионы 

[FcCH(R)]+ не являются продуктами фрагментации молекулярных ионов, а образу­

ются в результате распада протонированных молекул с выбросом молекулы азола, 

бис­ферроценилалкилазолы  возникают в результате взаимодействия  молекул фер­

роценилалкилазолов  с  их  протонированной  формой  и/или с  ферроценилалкилка­

тионами, которые сами являются продуктами распада протонированных молекул 

В  заключение  следует  подчеркнуть,  что  методы  ионизации  электронами и 

электрораспылением  применительно  к  производным  ферроцена  не являются  аль­

тернативными,  а,  напротив,  удачно  дополняют  друг  друга  В  структурно­

аналитическом аспекте ионизация электронами дает исчерпывающую информацию 

о составе и строении нейтральных производных  ферроцена, однако не применима 21 

для  анализа  нелетучих  солей  Напротив,  образование  в  условиях  электро­

распыления  биядерных  и димерных  ионов  ограничивает использование этого ме­

тода для анализа нейтральных соединений и вместе с тем позволяет надежно иден­

тифицировать солевые системы  То же относится к исследовательскому аспекту  В 

условиях  ионизации  электронами  можно  исследовать  реакционную  способность 

несольватированных  ионов  в  газовой  фазе, тогда  как  масс­спектры  с ионизацией 

электрораспылением  содержат  информацию  об  ионно­молекулярных  реакциях, 

протекающих на границе раздела жидкой и газовой фаз  При этом в обоих случаях 

наблюдаются аналогии между «мокрой» химией ферроценилалкильных производ­

ных и их поведением в условиях масс­спектрального эксперимента  Сюда относят­

ся,  например,  процессы  дегидратации  ферроценилалканолов  и  элиминирования 

молекул  азолов  из  ферроценилалкилазолов  с  образованием  винилферроцена 

CpFeC5H4CH=CH2, которые протекают как в условиях ионизации электронами, так 

и при кислотном катализе  Известная в химии растворов реакция ферроценилалки­

лирования реализуется также в условиях электрораспыления  Все это свидетельст­

вует о перспективности использования этих методов ионизации не только для ана­

лиза производных ферроцена, но и для исследования их реакционной способности 

в газовой и жидкой фазах 

22 

Основные результаты и выводы 

1  Выявлены общие и специфические пути фрагментации  ферроценилалкилазолов 

при ионизации  электронами  и показано, что основным  фактором,  определяющим 

реакционную способность этих соединений в условиях диссоциативной ионизации, 

является природа гетероциклического фрагмента ­  его энергия ионизации 

2  Показано, что  при электрораспылении  ферроценилалкилазолов,  ферроценилал­

канолов, а также  смесей  ферроценилалканолов  с азолами  протекают  известные  в 

химии растворов  реакции  ферроценилалкилирования,  что позволяет  использовать 

этот метод для исследования реакционной способности производных ферроцена в 

пограничной зоне жидкой и газовой фаз 

3  Установлено, что экспериментальные условия оказывают существенное влияние 

на  количественные  характеристики  масс­спектров  ИЭР  ферроценилалкильных 

производных  Предложено  использовать  статистические  методы  планирования 

эксперимента (полный факторный эксперимент) для поиска оптимальных условий 

регистрации масс­спектров ИЭР в зависимости от поставленной задачи ­  структур­

но­аналитической  (идентификация неизвестного вещества) или исследовательской 

(изучение ионно­молекулярных процессов в условиях ионизации  электрораспыле­

нием) 

4  С использованием дейтерированных  растворителей  и квантовохимических рас­

четов установлены схемы ионообразования ферроценилалкильных производных в 

условиях ионизации  электрораспылением  и показано,  что  основной  набор ионов 

(кроме молекулярного) образуется через стадию реакции протонирования, которая 

осуществляется в газовой фазе 

5  Сформулированы  эмпирические  правила,  связывающие  строение  производных 

ферроцена  с их масс­спектрами,  которые  использованы  для идентификации  ряда 

металлоорганических соединений 

23 

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях 

1  Ю  С  Некрасов, Р  С  Сказов. А  А  Сименел, Л  В  Снегур, В  В  Гуменюк  Реак­

ционная способность ферроценилалкилазолов в условиях  диссоциативной иониза­

ции  Изв АН  Сер хим,  2005, 10, 2384­2387 

2  R. S  Skazov. Yu  S  Nekrasov, S  A  Kuklin, A  A  Simenel  Influence of experimen­

tal conditions on electrospray ionization mass spectrometry of ferrocenylalkylazoles  Eur 

J  MassSpectrom,  2006,12, 137­142 

3  Ю  С  Некрасов, Р  С  Сказов. А  А  Сименел, Л  В  Снегур, И  В  Качала  Процес­

сы  ферроценилалкилирования  в  условиях  ионизации  электрораспылением  Изв 

АН  Сер хим,  2006,8, 1318­1322 

4  Ю  С  Некрасов, Р  С  Сказов. А  А  Сименел, А  В  Щербаков, Ю  А  Борисов 

Реакционная  способность  ферроценилалканолов  в условиях ионизации электрона­

ми и электрораспылением  Масс­спектрометрия,  2007, 4, 89­98 

5  Р  С  Сказов  Реакционная  способность ферроценилалкилазолов в условиях дис­

социативной  ионизации  Тезисы докладов 2­го Международного  семинара­школы 

«Масс  ­  спектрометрия  в  химической  физике,  биофизике  и  экологии»  Москва, 

Россия, 4­7 октября 2004, с  200 

6  Р  С  Сказов. Ю  С  Некрасов  Влияние экспериментальных параметров на ESI ­

MS производных ферроцена  Тезисы докладов I Всероссийской конференции с ме­

ждународным  участием  «Масс­спектрометрия  и ее прикладные проблемы»,  12­16 

сентября, 2005, Москва, Россия, ОС­10 

7  R  S  Skazov  Ions formation and influence of experimental conditions on mass spectra 

of ESI MS of ferrocenylalkylazoles  17th International Mass Spectrometry Confererence, 

August 30 ­ September  1, 2006, Prague, Chech Republic, p  189 

8  P  С  Сказов. Ю  С  Некрасов, А  А  Сименел, А  В  Щербаков  Реакционная спо­

собность  ферроценилалканолов  в условиях ионизации  электронами  и электрорас­

пылением  Тезисы  докладов  3­го  Международного  семинара­школы  «Масс­

спектрометрия  в химической  физике, биофизике и экологии»,  16­22 апреля, 2007, 

Звенигород, Россия, с  209 

24 

Подписано в печать 12 09 2007 г Исполнено 13 09 2007 г 

Печать трафаретная 

Заказ № 709 Тираж  100  экз 

Типография «11­й ФОРМАТ» ИНН 7726330900 

115230, Москва, Варшавское ш , 36 (495) 975­78­56 

www autoreferat ru