Übung zum Massenspektrometrie-Tutorium Exercise Accompanying

Übung zum Massenspektrometrie-Tutorium
Exercise Accompanying the MS Tutorial
Massenspektrometrie als Methode zur Strukturbestimmung: Topologie
Rotaxane sind Moleküle, die aus einem Makrocyclus (dem Reif, lat: rota) bestehen, durch den ein
fadenförmiges Molekül (die Achse, lat: axis) gefädelt wird. Um die Einfädelung zu erreichen, bedarf
es eines Templateffekts, der in der Regel auf nicht-kovalenten Bindungen beruht. Nach der
Einfädelung werden an den Enden der Achse sterisch anspruchsvolle Stoppergruppen angebaut, so
dass die Achse nicht mehr aus dem Reif ausfädeln kann. Die Bindung zwischen Achse und Reif nennt
man "mechanische Bindung", da es den Bruch einer kovalenten Bindung erfordert, um beide Teile
wieder zu trennen.
Abb. 1 zeigt die Synthese eines Rotaxans über einen anionischen Templateffekt, bei dem
Wasserstoffbrücken zwischen Achsenmittelstück und Reif die Einfädelung räumlich dirigieren.
CH3
O O O
Cl
Cl
NHBoc
H2N
BocHN
NEt3
CH3
O O O
N
N
H
H
NHBoc
BBr3
N
N P N
N
O OH O
H2N
P1 base
O
H2N
N
H
N
H
NH2
O
O
NH HN O
N
H
O
N
H
NH2
NH HN
O
O
O
Cl
NEt3
H
N
O
O
N
H
O
O
NH HN O
O
N
H
H
N
O
NH HN
O
O
Abb. 1: Anionen-Templateffekt zur Synthese eines Rotaxans aus dem phenolischen Achsenmittelstück, dem
Tetralactam-Makrocyclus und Triphenylessigsäure-Stoppern
Fig. 1: Anion-mediated template effect directing the synthesis of a rotaxane made from a phenolic axle center
piece, a tetralactam macrocycle and triphenylacetyl stoppers.
Nehmen Sie an, dass alle Versuche, das Rotaxan zu kristallisieren, fehlgeschlagen sind und Ihre
NMR-Ergebnisse nicht eindeutig zeigen, dass die Achse tatsächlich durch den Makrocyclus
durchgefädelt ist. Sie benötigen also einen massenspektrometrischen Strukturbeweis.
a) Ein erster Versuch, das Rotaxan mittels MALDI (Matrix: DHB) zu ionisieren, ist gelungen. Die
Summenformel des am phenolischen O-Atom nicht deprotonierten Rotaxans ist C116H118N8O9.
Berechnen Sie die exakte Masse des Rotaxans! Die exakte Masse des Reifs ist 960,55536.
Erläutern Sie, wie es zu der mehr als halben "Nachkomma-Masse" kommt! Interpretieren Sie das
erhaltene Spektrum (Abb. 2), indem Sie die Signale zuordnen! Erklären Sie in in Anbetracht der
von Ihnen berechneten exakten Masse, warum das Massenspektrometer bei der automatischen
Peakerkennung ein m/z von 1769 anzeigt!
Abb. 2: Positiv-Ionen MALDI-Massenspektrum des in Abb. 1 gezeigten Rotaxans. Die phenolische OHGruppe ist bei der leicht sauren Aufarbeitung am Ende der Synthese protoniert worden.
Fig. 2: Positive-ion MALDI mass spectrum of the rotaxane shown in Fig. 1. The phenolic OH group has
been protonated during the slightly acidic workup at the end of the synthesis.
b) Schlagen Sie vor, wie man das Rotaxan vielleicht noch einfacher ionisieren könnte, um einen
massenspektrometrischen Nachweis seiner Existenz zu erbringen! Welche Ionisierungsmethode
wählen Sie? Würden Sie die Erzeugung von Anionen oder Kationen bevorzugen? Begründen Sie
Ihre Entscheidung!
c) Welches Experiment würden Sie über die Messung des Masse/Ladungs-Verhältnisses und der
Bestimmung des Isotopenmusters hinaus durchführen, um die durchgefädelte Topologie zu
beweisen?
Welche
anderen
Strukturisomere
müssen
Sie
ausschließen?
Welche
Kontrollexperimente schlagen Sie hierfür vor?
Analog zu Rotaxanen können Catenane, d.h. zwei ineinander kettenförmig verschlungene Ringe über
Templateffekte hergestellt werden. Abb. 3 und 4 zeigen die Synthese eines über ein kationisches
Metalltemplat hergestelltes Catenat (die Endung -at deutet an, dass das Metalltemplat noch nicht
entfernt wurde). Das entstehende Catenat besitzt zwei vollständig konjugierte Makrocyclen und besitzt
damit interessante elektronische Eigenschaften.
Bu
S
S
BF4-
Bu
Bu
Bu
Bu
S
N
Si
Cu[CH3CN]4BF4
Si
CH3CN, CH2Cl2
Bu
Bu
Bu
Bu
S
S
S
N N+
Bu
S
Si
Cu
N
Si
S
Bu
Bu
S
Si
S
S
Bu
Bu
Bu
S
N
S
Bu
Si
N
S
S
S
Bu
S
S
Bu
Bu
Bu
Bu
Bu
Bu
Bu
3a
5 [95%]
BF4-
Bu
Bu
Bu
Ph
Ph
Bu
S
S
S
N N+
S
Ph
S
S
Bu
Bu
S
Ph
Bu
P
Ph
Ph
S
S
S
Bu
Bu
Bu
N
Ph
Bu
Bu
N
Pt
+
P
S
S
P
P
S
S
S
Ph
Ph
Ph
Pt
N N
P
Ph
Bu
Ph
S
Cu
Pt
2. Pt(dppp)Cl2, CuI,
Et3N, toluene
S
Bu
Bu
Bu
S
P
1. CsF, THF, MeOH
Bu
Bu
Bu
Bu
Bu
Bu
Bu
6 [6%, crude]
Bu
4a [52%]
Abb. 3: Catenan-Synthese über einen Cu(I)-vermittelten Templateffekt. Das Platin-freie Catenan kann durch
doppelte reduktive Eliminierung aus 6 erhalten werden.
Fig. 3: Catenane synthesis through a Cu(I)-mediated template effect. The Pt-free catenane can be obtained
through double reductive elimination from 6.
Bu
Bu
Bu
Ph
Ph
S
S
Ph
Ph
N
1. 3a, Cu[CH3CN]4BF4,
7 d at 60°C
P
P
N
2. CsF, THF, MeOH
P
S
Ph
S
S
S
S
S
S
S
S
N N+
Cu
N N
S
Ph
Bu
Bu
Bu
Bu
S
S
S
Bu
Bu
Bu
Bu
S
S
Pt
Pt
Ph
Bu
Bu
S
P
Ph
BF4-
Bu
Bu
Bu
Bu
Bu
Bu
Bu
Bu
Bu
Bu
Bu
7 [not isolated]
4a
BF4-
Bu
Bu
Bu
Bu
Ph
Ph
Pt(dppp)Cl2, CuI, Et3N,
P
CH2Cl2, toluene
P
S
S
Ph
S
Bu
S
N N+
S
Bu
Ph
Pt
N N
S
S
S
Bu
Bu
Ph
P
Cu
Pt
Ph
Bu
Bu
S
P
S
Bu
S
S
Ph
Ph
Bu
Bu
Bu
Bu
Bu
6 [43%]
BF4-
Bu
Bu
Bu
Bu
S
S
Bu
S
Bu
Bu
Bu
S
S
S
S
S
S
N N+
I2, THF, r.t.
Cu
N N
S
S
S
Bu
Bu
Bu
Bu
Bu
8 [41%]
Abb. 4: Optimierte Synthese des Catenats 8.
Fig. 4: Optimized synthesis of catenate 8.
Bu
Bu
Bu
d) Wählen Sie eine geeignete Ionisierungsmethode und begründen Sie Ihre Wahl! Wie können Sie
diesmal am leichtesten eine Ladung erzeugen, ohne dabei strukturelle Veränderungen
hervorzurufen?
e) Welche Strukturisomere könnten in der Synthese auch entstanden sein, die die Anwesenheit eines
Catenans fälschlicherweise andeuten würden? Wie unterscheiden Sie diese Strukturen mit Hilfe
eines massenspektrometrischen Experiments? Schlagen Sie wieder geeignete Experimente und
Kontrollen vor!
Mass Spectrometry as a Method for Structure Determination: Topology
Rotaxanes are molecules, which consist of a macrocycle (the wheel; lat: rota) through which a
threadlike molecule (the axle; lat: axis) is threaded. In order to achieve threading, template effects are
needed which are usually based on non-covalent bonds. After threading, two sterically demanding
stopper groups are attached to the ends of the axle in order to prevent the axle from deslipping. The
bond between axle and wheel is called mechanical bond, since the cleavage of a covalent bond is
necessary to separate the two parts.
Fig. 1 depicts the synthesis of a rotaxane through an anion-mediated template effect, in which
haydrogen bonding direct the threading.
Assume all attempts to crystallize the rotaxane to fail and the NMR results to be ambiguous.
Consequently, you need mass spectrometric evidence for the threaded structure.
a) A first attempt to ionize the rotaxane by MALDI (matrix: DHB) has been successful (Fig. 2). The
elementary composition of the rotaxane is C116H118N8O9. Calculate the exact mass of the
rotaxanes! The exact mass of the wheel is 960,55536. Explain why this molecule is more than half
a mass away from its nominal mass! Interpret the spectrum in Fig. 2 by assigning all signals! In
view of the exact mass you calculated, explain why the automated peak labeling of the mass
spectrometer returns an m/z of 1769!
b) Suggest an even simpler method for ionization! Which ionization method would you use? Would
you go for the positive- or negative-ion mode of the instrument?
c) Which experiment would you perform beyond the mere measurement of the m/z ratio in order to
get evidence for the threaded topology? Which other structural isomers do you need to rule out?
Which control experiments do you suggest?
In analogy to rotaxanes, catenanes with chain-like interlocked rings can be synthesized through
template effects. Figs 3 and 4 show the synthesis of a catenate (-ate implies that a metal ion is still
present in the catenane) generated through a cationic metal-mediated template effect. The catenate
bears two fully conjugated macrocycles and has interesting electronic properties.
d) Choose a suitable ionization method and provide reasons for your choice! How can you generate
the charge most easily without causing structural changes?
e) Which structural isomers could be formed in the synthesis as well and would falsely imply the
presence of a catenate? How can you distinguish these structures with the help of mass
spectrometric experiments? Again, suggest useful control experiments!
Literatur/Literature:
1
Distinguishing the Topology of Macrocyclic Compounds and Catenanes, C.A. Schalley, J. Hoernschemeyer,
X.-y. Li, G. Silva, P. Weis, Int. J. Mass Spectrom. 2003, 228, 373.
2
Mass Spectrometric Evidence for Catenanes and Rotaxanes from Negative-ESI FT-ICR Tandem-MSExperiments, C.A. Schalley, P. Ghosh, M. Engeser, Int. J. Mass Spectrom. 2004, 232-233, 249.
3
A synthetic approach towards π-conjugated interlocked macrocycles, M. Amman, A. Rang, C.A. Schalley,
P. Bäuerle, Eur. J. Org. Chem. 2006, 1940.
4
Helicate, Macrocycle or Catenane: Dynamic Topological Control over Subcomponent Self-Assembly, M.
Hutin, J. R. Nitschke, C.A. Schalley, G. Bernardinelli, Chem. Eur. J., 2006, 12, 4069.
5
Synthesis and electronic properties of the first “π-conjugated catenane” – A novel topological structure in
the field of conjugated oligomers and polymers, M. Ammann, M. Wilde, G. Götz, E. Mena-Osteritz, A.
Rang, C.A. Schalley, P. Bäuerle, Angew. Chem. 2007, 119, 367; Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 363.