15.8
عند التأين، تولد المركبات العطرية أيونًا جزيئيًا يُلاحظ على أنه قمة بارزة في أطياف كتلتها. على سبيل المثال، تظهر قمة الأيون الجزيئي للبنزين عند نسبة ك…
المركبات العطرية ، عند التأين ، أيونات جزيئية.
لايتجزأ أيون البنزين الجزيئي على نطاق واسع ، مما يتطلب طاقة هائلة.
على العكس من ذلك ، فإن الأيونات الجزيئية للبنزين المستبدل بالألكيل ، مثل التولوين ، تتجزأ في الكربون البنزيلي ، وتفقد ذرة الهيدروجين لتوليد كربوهيدرات بنزيل مستقرة بالرنين.
يعيد كاتيون البنزيل الترتيب إلى أيون تروبيليوم أكثر استقرارا ، والذي يظهر ذروة قوية في أطياف الكتلة.
بدلا من ذلك ، تتفتت الأيونات الجزيئية للألكيل بنزين مع مجموعات الألكيل الأكبر عن طريق انقسام السلسلة الجانبية لتشكيل كاتيون بنزيل في البداية ، والذي يعاد ترتيبه بعد ذلك إلى أيون تروبيليوم.
إذا كانت السلسلة الجانبية تحتوي على ثلاثة أو أكثر من الكربون وهيدروجين واحد على الأقل على الكربون γ ، تحدث إعادة ترتيب McLafferty ، يتم اكتشافها بنسبة كتلة إلى شحنة تبلغ 92.
تتفتت المركبات متعددة الألكيلات وتفقد ذرة هيدروجين لتشكيل أيون ميثيل تروبيليوم ، مما يعطي ذروة متوسطة.
يشكل فقدان مجموعة ميثيل واحدة أيون التروبيليوم.
والجدير بالذكر أن أيزومرات هذه الحلقات غير المستبدلة لها أطياف كتلة متطابقة. لذلك ، لا يمكن لقياس الطيف الكتلي تحديد أنماط استبدال البنزين متعدد الألكيلات.
View the full transcript and gain access to JoVE Core videos
Q1: Why does benzene's molecular ion not fragment in mass spectrometry?
Benzene's molecular ion is highly stable due to its aromatic ring structure and requires enormous energy to disrupt. The aromatic stability of the benzene ring prevents extensive fragmentation, resulting in a prominent molecular ion peak at mass-to-charge ratio 78 without significant loss of fragments.
Q2: What happens when toluene undergoes fragmentation in mass spectrometry?
Toluene's molecular ion fragments by losing a hydrogen atom at the benzylic carbon, forming a benzylic carbocation. This carbocation rearranges to a resonance-stabilized tropylium ion, which appears as a strong peak at mass-to-charge ratio 91 in the mass spectra of alkyl-substituted benzenes.
Q3: How does the McLafferty rearrangement occur in alkylbenzene fragmentation?
The McLafferty rearrangement occurs when alkylbenzenes have side chains with three or more carbons and at least one hydrogen on the gamma carbon. This rearrangement is detected at a mass-to-charge ratio of 92 and represents a characteristic fragmentation pathway for these larger alkyl-substituted aromatic compounds.
Q4: What is the difference between benzyl cation and tropylium ion formation?
When alkylbenzenes fragment, they initially form a benzylic carbocation through cleavage at the benzylic carbon or side chain. This carbocation then rearranges to a more stable tropylium ion, which exhibits greater resonance stabilization and produces a strong peak in mass spectra.
Q5: Why can't mass spectrometry determine substitution patterns on polyalkylated benzenes?
Isomers of polyalkylated benzene rings produce identical mass spectra because they fragment through the same pathways, forming methyltropylium ions and tropylium ions regardless of substitution position. This loss of structural information makes positional isomers indistinguishable by mass spectrometry alone, limiting structural determination.
Q6: What fragmentation products form from polyalkylated benzenes?
Polyalkylated benzenes fragment and lose a hydrogen atom to form a methyltropylium ion, which gives a medium peak in mass spectra. Further loss of one methyl group produces the tropylium ion, representing sequential fragmentation of the alkyl substituents on the aromatic ring.
Q7: How do aromatic compounds compare to other functional groups in fragmentation behavior?
Aromatic compounds like benzene show remarkable stability upon ionization, contrasting sharply with other functional groups. While alkyl-substituted aromatics fragment predictably through benzylic cleavage and tropylium formation, this behavior differs from mass spectrometry aldehyde and ketone fragmentation patterns and other organic compound classes.