Értekezésemben a szénhidrátok és származékaik különbözõ tömegspektrometriai módszerekkel végzett vizsgálatának eredményeit foglaltam össze. A szénhidrátok az egyik leggyakrabban elõforduló szénvegyületek, szisztematikus vizsgálatuk ezért is különösen indokolt. Tömegspektrometriai szempontból a szacharidok a nehezen vizsgálható vegyületek közé tartoznak, mivel illékonyságuk általában kicsi, hõ hatására legtöbbjük elbomlik. Célom az volt, hogy különféle ionizációs módszerek esetén megvizsgáljam a szénhidrátok viselkedését, megpróbáljak valamilyen törvényszerûséget találni a tömegspektrumokban jelentkezõ csúcsok és a vizsgált szénhidrátok szerkezeti sajátságai között. A szénhidrátok között gyakran fordulnak elõ izomer vegyületek, ezek szerkezeti különbözõségeire általában a tömegspektrometria nem érzékeny. Különféle technikákkal, például a különbözõ térállású hidroxilcsoportokkal sztereospecifikusan reagáló ágensek vagy az egyes izomerek energiatartalmában lévõ apró eltéréseket is kimutatni képes tandem MS módszerek segítségével sikerült módszereket találnom arra, hogy szénhidrát-izomereket különböztessek meg tömegspektrometriával.

Egy - korábban már ismert - egyszerû és gyors módszer részletes vizsgálatát végeztem el, melynek segítségével nem illékony ill. hõbomlékony vegyületek, például szénhidrátok elektronionizációs vizsgálatára is lehetõség nyílik. Az eljárás lényege az, hogy a mintát valamilyen ammóniumsóval keverjük, és úgy juttatjuk be a direkt mintabevivõvel az ionforrásba. Részletesen megvizsgáltam a különféle ammóniumsók alkalmazási lehetõségét, a minta:ammóniumsó arány hatását, illetve meghatároztam az optimális ionforrás-paramétereket. Ily módon számos olyan vegyület molekulaionját sikerült kimutatni, mely normál EI körülmények között nem ad értékelhetõ spektrumot.

A monoszacharidok és különbözõ monoszacharid-származékok thermospray ionizációs tulajdonságaival is részletesen foglalkoztam. A thermospray a folyadékkromatográf és a tömegspektrométer kapcsolatban az egyik igen gyakran alkalmazott technika. Megállapítottam, hogy ez a módszer alkalmas a legkülönfélébb típusú származékok tanulmányozására. Meghatároztam az optimális kísérleti paramétereket (áramlási sebesség, eluens összetétel, kapilláris hõmérséklet, repeller potenciál). A spektrumokban - szerkezetileg igen informatív fragmens ionok mellett - fõként [M+NH₄]⁺, MH⁺ és [M+NH₄-H₂O]⁺ ionok jelentkeznek. Ezen ionok jelenléte, hiánya ill. relatív intenzitása alapján a vizsgált származékokat csoportosítani tudtam.

A poliolok és szénhidrátok borátkomplexeit használtam fel arra, hogy az izomer szerkezetû vegyületeket egymástól megkülönböztessem. Elõször poliol-modellvegyületeken részletesen tanulmányoztam az ezekben az oldatokban képzõdõ adduktok lehetséges szerkezeteit, és megállapítottam, hogy a poliolok különbözõ borátkomplexei jól detektálhatók thermospray tömegspektrometria segítségével. A komplexképõdés feltétele ciklikus származékok esetén az 1,2 cisz diol egység jelenléte, míg aciklusos származékoknál 1,3 diol struktúra is részt vehet a komplexképzésben. A vizsgált izomer poliolok jól megkülönböztethetõek voltak a thermospray spaktrumaik alapján. A módszer alkalmas izomer szerkezetû monoszacharidok jellemzésére is, bár ezek a rendszerek lényegesen bonyolultabbak.

A gyors atomütköztetéses ionizációt (FAB) használtam fel acetilezett izomer hexózok N- és S-glikozidjainak vizsgálatára. Megállapítottam, hogy a használt mátrix jelentõs befolyással van a móltömeg-tartományban jelentkezõ csúcsok relatív intenzitására. Glicerin esetén a protonált molekulaionok (MH⁺) jelentkeznek nagy intenzitással, míg 3-nitro-benzil-alkohollal a molekulaionok (M^+.) is jelen vannak. A protonált molekulaionok tandem tömegspektrumában 2 csúcs jelentkezik, amelyek az aglikon ill. egy molekula ecetsav lehasadásával képzõdött ionokhoz tartoznak. Ezen csúcsok relatív intenzitásának aránya függ az aglikon és a hexóz minõségétõl, így felhasználható az izomerek jellemzésére. Bebizonyítottam továbbá, hogy a fragmentáció során eltávozó ecetsav a C-3 pozícióból származik.

Nemredukáló diszacharidokat vizsgáltam elektronionizáció, thermospray és gyors atomütköztetéses ionizáció segítségével. Az EI spektrumokban csak az alacsony tömegtartományban jelentkeznek intenzív ionok, amelyek elsõsorban a monoszacharid egységek fragmentációjára vonatkozóan adnak információt. A thermospray ionizáció intenzív protonált molekulaionokat szolgáltatott. A FAB spektrumokban, mind a szerkezetileg informatív fragmensek mind pedig a protonált molekulaionok észlelhetõk. Az MH⁺ ionok tömeganalizált ion kinetikus energia (MIKE) spektrumában három csúcs jelentkezik. Ezen csúcsok relatív intenzitásaránya eltérõ az egyes izomerek esetén, így felhasználható a vizsgált izomer szerkezetû diszacharidok megkülönböztetésére.

My thesis describes a study of carbohydrates and their derivatives using various mass spectrometric techniques. Carbohydrates are one of the most frequently occuring classes of organic compounds, their systematic investigation is, therefore highly important. The mass spectrometric study of saccahrides is often difficult since their volatility is generally very low, most of them decompose when heated. My aim was to investigate the mass spectrometric behaviour of carbohydrates using different ionization methods and to find correlation between the peaks in the mass spectra and the structural features of the saccharides studied. There are a lot of isomeric structures among carbohydrates the differentiation of which is generally not possible by mass spectrometry. By using agents that react stereo-specifically with the different hydroxyl groups or by tandem MS techniques that are sensitive to the small energy differences between the isomeric structures I managed to find methods for the differentiation of carbohydrate isomers. Detailed studies of a fast and simple method - already described by others earlier - is presented in the thesis which allows the EI mass spectrometric investigation of nonvolatile and/or thermolabile compounds. The analyte is mixed with an ammonium salt, and introduced via the direct insertion inlet. I compared the applicability of the different ammonium salts, and determined the optimum sample:ammonium salt ratio and ion source conditions. By the rapid heating of the sample molecular ions can be observed in the spectra of compounds which do not offer good quality spectra under normal EI conditions.

The results of the thermospray LC/MS of monosaccharides are also described in detail in my thesis. Thermospray is one of the most widely used techniques in liquid chromatography mass spectrometry. It was found that this method can be used very successfully in the analysis of different sugar-derivatives. The optimum experimental conditions (flow rate, mobile phase composition, capillary tip temperature and repeller voltage) have been determined. The TSP spectra contain - besides some structurally diagnostic fragments - mainly MH⁺, [M+NH₄]⁺ and [M+NH₄-H₂O]⁺ ions. The saccharides studied can be grouped on the basis of the presence, absence and relative intensities of these ions in their spectra which can be of importance from analytical point of view.

The use of borate complexes for probing the stereochemistry of polyols and carbohydrates is also summarized. First, I studied the possible structures of species formed in polyol-borate systems. It was established that borate reacts stereospecifically with polyols and the formed species can be detected by positive ion thermospray mass spectrometry. Complexation occurs accross cis vicinal hydroxyl groups in cyclic derivatives or can also involve OH groups borne by alternate carbon atoms in acyclic compounds. The isomeric polyols studied could be unambiguously differentiated on the basis of their spectra. Borate complexes can also be used for the characterization of isomeric sugar derivatives but these systems are far more complicated.

My thesis deals also with the investigation of some N- and S-glycosides of acetylated hexose isomers under fast atom bombardment conditions. It was found that the matrix used has a considerable effect on the intensities of molecular ion species. Glycerol promotes the formation of protonated molecules whereas with 3-nitrobenzyl alcohol the molecular ions appear with reasonable intensity as well. The fragmentation of the compounds is characterized by two main decomposition pathways namely the elimination of a molecule of acetic acid and that of the aglycon. The intensity ratios of the resulting ions in the MS/MS spectra of MH⁺ ions are different depending on the nature of the aglycon and the hexose unit and can, therefore, be used for the differentiation between these isomeric compounds. It was also established that acetic acid elimination occurs mainly from the C-3 position.

A comparison of different mass spectrometric techniques (EI, TSP, FAB) in the analysis of isomeric non-reducing disaccharide derivatives is described. In the electron ionization spectra mainly peaks characteristic of the monosaccharide units are present in the low-mass region. The fragmentation pathways have been determined. TSP affords pseudo-molecular ion species. In the FAB mass spectra protonated molecules as well as some diagnostic fragments are pesent using either glycerol or 3-nitrobenzyl alcohol as a matrix. The FAB-MIKE spectra of the MH⁺ ions revealed three main fragment ions the formations of which were rationalized. The relative intensities of these peaks appeared to be dependent on the linkage type and sugar configuration and were used to characterize the isomeric structures.

Publications

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

2. M. Lipták, Z. Dinya, F. Sztaicskai, Gy. Litkei and J. Jekõ: Liquid Chromatography/Thermospray Mass Spectrometry of Monosaccharides and Their Derivatives, Org. Mass Spectrom. 27, 1271 (1992).

3. M. Lipták, Z. Dinya, P. Herczegh and J. Jekõ: Studies on the Complexation of Polyols and Carbohydrates with Excess Borate Using Thermospray Mass Spectrometry, Org. Mass Spectrom. 28, 780 (1993).

4. M. Lipták and W. Heerma: Fast Atom Bombardment Mass Spectrometry of some N- and S-Glycosides of Acetylated Hexose Isomers, Rapid Commun. Mass Spectrom. 7, 676 (1993).