フラグメンテーション (質量分析法)

質量分析法において、フラグメンテーション（fragmentation、開裂）とは、分子が質量分析計内を通過する際に形成される、エネルギー的に不安定な分子イオンが解離することである。このような解離の化学反応は何十年にもわたって詳細に記録されており、そのフラグメンテーションパターン（開裂形態）は未知分子の分子量測定や構造情報の決定において大きな手がかりとなる。 特に、タンデム質量分析法での測定実験において発生させるフラグメンテーションは、分子の同定に活用されるデータとして近年研究の焦点であった。

 質量分析の手法 
電子イオン化法（EI法）を使うとイオン源の中でフラグメンテーションを起こすことができ（インソース・フラグメンテーション）、 分子同定に利用されてきた。最近（2020年）ではエレクトロスプレーイオン化法においても同様に分子同定の手がかりになることが示されている。これらの実験手法が利用される以前は、エレクトロスプレーイオン化法におけるインソース・フラグメンテーションは一般的に望ましくない影響をもたらすと考えられていた。しかし、拡張インソースフラグメンテーション/アノテーション（Enhanced In-Source Fragmentation/Annotation、EISA）を用いたエレクトロスプレーイオン化法では、タンデム質量分析計と同様のフラグメントイオンを生成するインソース・フラグメンテーションが促進されることが示されている 。 タンデム質量分析計で生成されるフラグメンテーションは、通常、タンデム質量分析計の衝突領域（ポストソース・フラグメンテーション）で行われる。EISA や衝突誘起解離（collision-induced dissociation、CID）（英語版）などは、イオンに影響を与える物理現象であり、気相イオン化学の一種である。質量フラグメンテーションの主な手法として、中性分子との衝突による衝突誘起解離（CID）、高速移動イオンと固体表面との衝突を用いる表面誘起解離（SID）、レーザーを用いてイオン形成を誘導するレーザー誘起解離、低エネルギー電子の取り込みによる電子捕獲解離（ECD）、イオン間の電子移動による電子移動解離（ETD）、負電子移動解離（NETD）、電子脱離解離（EDD）、光解離、特に照射に赤外線を用いる赤外多光子解離（IRMPD）やレーザーの代わりに赤外放射を用いる黒体赤外放射解離（BIRD）、高エネルギーCトラップ解離（HCD）、EISA、および遠隔電荷フラグメンテーションなどがある。

 フラグメンテーション反応 
フラグメンテーションは解離反応の一種であり、分子から電子が失われることでイオン化が起こる。σ（シグマ）結合、π（パイ）結合、または非共有電子対から電子を失うことでイオン化が生じる。これは、結合の均一開裂（ホモリティック開裂）または不均一開裂（ヘテロリティック開裂）の過程によって起こり得る。

相対的な結合エネルギーや、分析にふさわしいフラグメンテーションを起こす環状遷移状態を経由するかどうかが、フラグメンテーションの過程に影響を与える。基本的なフラグメンテーション過程の規則は、Stevenson 則によって与えられる。

結合開裂の形態は主に、一重結合開裂反応と転位反応である。

 一重結合の開裂反応 
有機化合物の多くは、一重結合が直接的に切断される開裂反応を起こす。σ 結合の開裂や、ラジカル部位を起点としたフラグメンテーション、そして電荷部位を起点としたフラグメンテーションなどがある。


 σ 結合の開裂 / σ-開裂 
σ 結合の開裂は、飽和アルカンや、二次および三次カルボカチオンなど、安定なカチオンを生成できる分子で最も多く発生する。この反応は、α-電子（α 位の結合、すなわち σ 結合を形成している電子）が除去されたときに起こる。C-C 結合が伸長してその結合力が弱くなることでフラグメンテーションが引き起こされる。この部位でフラグメンテーションが起きると、電荷を持ったフラグメントとラジカルのフラグメントが生成する。


 ラジカル部位を起点とした開裂 
σ 結合開裂は、イオン化部位から離れたラジカルカチオンでも起こる。一般に、アルコール、エーテル、ケトン、エステル、アミン、アルケン、および環に炭素が結合した芳香族化合物で発生する。カチオンは、ヘテロ原子または不飽和官能基上にラジカルを持っている。ラジカルイオンが電子対を作ろうとする性質が強ければフラグメンテーションを形成する駆動力となる。ラジカルと、ラジカルに隣接する結合からの不対電子が移動し、α-炭素とヘテロ原子または不飽和官能基との間に結合を形成するときに開裂が起こる。σ 結合が切断されるため、この開裂はホモリティック結合開裂または α-開裂としても知られている。


 電荷部位を起点とした開裂 
電荷部位を起点としたフラグメンテーションの駆動力は、ラジカルカチオンにおける電荷部位の誘起効果である。 電荷を持つ原子に隣接する結合からの電子がその原子に移動して元の電荷を中和し、別の部位に電荷が移動する。この用語は誘起開裂（inductive cleavage）とも呼ばれ、ヘテロリティック結合開裂の一例である。


転移反応
転位反応とは、開裂の前に新しい結合を形成して中間体構造を生成するフラグメンテーション反応である。最もよく研究されている転位反応の一つが McLafferty 転位（γ-水素転位）である。この反応は、ケトン、アルデヒド、カルボン酸、エステル、アミド、オレフィン、フェニルアルカンなどの不飽和官能基を持つラジカルカチオンで起こる。この反応の間、まず γ-水素（特定の官能基や基準点から数えて3番目の炭素原子に結合している水素原子）が官能基に移動し、続いて中間体の α, β 結合開裂が起こる。 その他の転位反応には、複素環分裂（HRF）、ベンゾフラン形成分裂（BFF）、キノンメチド（QM）分裂、またはレトロ・ディールス・アルダー反応（RDA）がある。

 参考文献 

 関連項目 
 質量分析
 質量スペクトル
 タンデム質量分析

 外部リンク 
 Fragmentation patterns in the mass spectra of organic compounds（英）
 A tutorial in small molecule identification via electrospray ionization-mass spectrometry: The practical art of structural elucidation（英）

Category:質量分析
Category:化学