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6.10. Einsatz von EROS7 zur Simulation massenspektroskopischer Prozesse

Mit EROS7 können neben der Vorhersage von Reaktionen auch Massenspektren simuliert werden. Dazu benötigt EROS7 Regeln, die die Fragmentierungen und Umlagerungen im Massenspektrometer, inklusive der Ionisationen, simulieren. Analog der Reaktionsvorhersage mit angeschalteter Kinetik berechnet EROS7 die Endkonzentrationen der einzelnen Kationen und Neutralfragmente. Zur Berechnung des Massenspektrums werden für alle Kationen die Isotopensignale bestimmt und mit der Konzentration des Fragments multipliziert. Hat das Fragment eine höhere Ladung als eins, werden die Massen der Signale durch die Ladung geteilt. Summiert man schließlich all diese so vorbereiteten Signale auf, erhält man das Massenspektrum, dessen Signale noch in der Weise skaliert werden, daß das größte Signal den Wert 1000 für ein Promillspektrum erhält. Dies wird bei EROS7 dadurch initiiert, daß beim Aufruf die entsprechende Option angegeben wird. Die Ausgangsverbindung wird dann zusammen mit dem vorhergesagten Massenspektrum in eine gesonderte Datei geschrieben.

6.10.1. Einstellungen in den Regeln, Unterschiede zu MASSIMO

Für die Simulation von Massenspektren verwendet man einen Reaktor mit einer Phase, die Reaktionen im monomolekularen" Modus erzeugt. In der Vorbehandlung der Edukte werden alle Neutralfragmente von der Weiterreaktion ausgeschlossen. Eine Ausnahme stellt hier die Ausgangsverbindung dar, da diese in einem ersten Schritt zunächst ionisiert werden muß. Aus diesem Grund werden in der ersten Reaktionsebene alle Edukte zugelassen. Zu welcher Reaktionsebene die aktuelle Reaktion gehört, steht in einer Variablen, die von EROS7 an die Regeln übergeben wird.

Die Regeln, die für die in 6.10.2 gezeigten simulierten Massenspektren verwendet wurden, basieren auf den gleichen neuronalen Netzen für die Bewertung, die auch mit MASSIMO eingesetzt wurden (siehe 4.2.5.2). Für die Berechnung der Konzentrationen wird, wie in MASSIMO, die gleiche Wahrscheinlichkeitskinetik verwendet, die sich allerdings bei der Behandlung der Umlagerungen unterscheidet. Wie in Kapitel 4.3.3.1 gesagt, gilt die Annahme nicht ganz, daß sich die Wasserstoffumlagerungen im Gleichgewicht befinden, die von MASSIMO für die Konzentrationsberechnungen für die Wasserstoffumlagerung eingesetzt wird. Deshalb wird für diese Reaktionen bei EROS7 statt der Gleichgewichtskonstante der Prozentsatz angegeben, der bei einer Symmetriezahl von eins von dieser Umlagerung umgesetzt wird. EROS7 berücksichtigt dabei auch, wenn das Produkt wieder zurücklagern kann und eine entsprechende Reaktion durchgeführt wurde.

Die Regeln enthalten sechs Reaktionstypen: die Ionisation von freien Elektronenpaaren und -Systemen, denen kein freies Elektronenpaar benachbart ist (in Anlehnung an die Reaktionsgenerierung mit MASSIMO), die -Spaltung, die Oniumreaktion, die Carbonyleliminierung, die McLafferty-Spaltung und die Wasserstoffumlagerung. Die Bewertungen wurden ebenso aus den Regeln von MASSIMO übernommen, wie die Reaktionstypen. Die Ionisation und die Wasserstoffumlagerung konnten nicht direkt übertragen werden und wurden deshalb an die Version von MASSIMO angelehnt. Ohne diese Anlehnung hätte man nicht mit einer sinnvollen Bewertung der Reaktionen rechnen können. Eine Besonderheit stellt dabei die Ionisation dar. Sie ist unabhängig von jeglichem Atom und hat damit kein Atom in der Definition der Reaktionssubstruktur. Es gibt dennoch mehrere verschiedene Ionisationsmöglichkeiten in einem Molekül, nämlich so viele, wie es unterschiedliche, besetzte Elektronensysteme im Molekül gibt. Die Ionisation sucht diese, unter der oben angegebenen Beschränkung und führt sie durch. Für jede Reaktion wird zunächst das Ensemble eins, das Edukt, als aktives Ensemble gesetzt und von ihm ausgehend alle Reaktionen durchgeführt.

An den verwendeten Regeln zur Simulation von Massenspektren, die im Anhang F.2 gezeigt sind, sieht man neben der Variablenübergabe von EROS7 an die Regeln (Reaktionsebene) und der Erzeugung mehrerer Reaktionen aus einer gefundenen Reaktionssubstruktur (Ionisationsregel) weitere Möglichkeiten der Programmierung der Regeln. So wird das radikalische Elektronensystem nur einmal für jedes Edukt gesucht und seine Nummer in einer statischen Variablen gespeichert. Bei der Überprüfung der Bedingungen am Reaktionszentrum und während der Reaktion selbst wird dann auf diese zugegriffen. Desweiteren setzen die Regeln Backpropagationnetzwerke zur Ermittlung der Reaktionswahrscheinlichkeit ein. Für das Edukt und das Produkt werden die Funktionen zum Setzen der Eingabewerte des Netzes aufgerufen, um schließlich beim Abholen des Ergebnisses das neuronale Netz auszuwerten. Hat man aufwendigere, klar umrissene Aufgaben, die für mehrere Reaktionstypen benötigt werden, oder, um die Regeln leichter lesen zu können, kann man sich für diese Aufgaben eigene Funktionen dafür schreiben. Dies geschah für die Dekonjugation von -Systemen ohne richtigen Bindungsbruch, die Zählung von freien Elektronenpaaren an Atomen, die an einem bestimmten -System beteiligt sind, die Abfrage von ganzzahligen Eigenschaften, die als Funktionswert zurückgegeben werden und damit manche Stelle der Regeln übersichtlicher gestalten, und die Berechnung des Ionisationspotentials. Die Berechnung des Ionisationspotentials nach [26][46], die in MASSIMO eingebaut war, ist nicht so leicht an die Ionisation aus Elektronensystemen anzupassen, weshalb die Funktion in den Regeln immer den Wert 10.0 eV zurückgibt. Mit dem Vorfaktor und der Kennzeichnung als Umlagerungsreaktion werden die Ionisationsprodukte proportional zur Zahl gleicher Elektronensysteme gebildet. Diese Regeln können also nur für Verbindungen angewendet werden, deren verschiedene Ionisationsorte sehr ähnliche Ionisationspotentiale besitzen. Überdies sind die Regeln so gestaltet, daß man über eine Option steuern kann, ob Wasserstoffumlagerungen stattfinden sollen oder nicht. Zur Aktivierung wird EROS7 mit dem entsprechenden Aufrufparameter mitgeteilt, daß es eine Variable vom Typ int unter dem Namen huml und dem Wert 1 an die Regeln übergeben soll. Wird diese Option beim Aufruf von EROS7 weggelassen, werden keine Wasserstoffumlagerungen durchgeführt, da dies in den Regeln so definiert ist.

Die Weise, in der EROS7 das Reaktionsnetzwerk aufbaut, unterscheidet sich von der von MASSIMO speziell für die Umlagerungen. MASSIMO hat diese für jedes Umlagerungssystem im ganzen vor den Fragmentierungen durchgeführt und bewertet. In EROS7 wird dies alles von der Kinetik übernommen und auch in Fällen, bei denen ein Reaktionsprodukt erneut über eine andere Reaktionssequenz gebildet wird, werden von EROS7 im Gegensatz zu MASSIOMO die Reaktionen, die von diesem Kation ausgehen, nicht erneut generiert.

Da die Datenstruktur RICOS auch die Isotopenmarkierung von einzelnen Atomen kennt, ist es mit EROS7 möglich, für solche Verbindungen das Massenspektrum zu berechnen.

6.10.2. Simulation von Massenspektren

Wie in Kapitel 6.10.1 erwähnt, wurden für die folgenden simulierten Massenspektren die neuronalen Netze genommen, die für MASSIMO entwickelt wurden. Einige der Werte, die als Eingabewerte für die Netze genutzt werden, basieren auf der Strukturdarstellung als Bindungsliste und beinhalten damit auch die Probleme der Bindungslisten. Zu ihrer Berechnung wird die chemische Struktur von RICOS in eine Bindungsliste umgewandelt und die berechneten Werte werden an RICOS zur Speicherung zurückgegeben. Dies wurde so implementiert, daß mit der neuen Datenstruktur RICOS auch ältere Funktionen und neuronale Netze verwendet werden können und da für die meisten der physikochemischen Eigenschaften noch keine Berechnungsalgorithmen für die neu Strukturdarstellung bereitstehen.

Die simulierten Massenspektren von (1-Ethyl-1-methyl-butyl)-methyl-ether in Abbildung 131 und 3-Hexanon in Abbildung 133 wurden unter Ausschluß der Wasserstoffumlagerung berechnet. Die Absenkung der Abspaltung von Wasserstoffradikalen, wie sie bei der Verwendung der Wasserstoffumlagerung benötigt wird, war jedoch in den Regeln enthalten. Zum Vergleich zeigen Abbildung 132 und Abbildung 134 die von MASSIMO simulierten Spektren.

Abbildung 131: Spektrenvergleich von (1-Ethyl-1-methyl-butyl)-methyl-ether; experimentelles Spektrum aus [7].

Abbildung 132: Von MASSIMO simuliertes Spektrum von (1-Ethyl-1-methyl-butyl)-methyl-ether.

Abbildung 133: Spektrenvergleich von 3-Hexanon; experimentelles Spektrum aus [22].

Abbildung 134: Von MASSIMO simuliertes Spektrum von 3-Hexanon.

Man sieht, daß auch EROS7 in der Lage ist, mit den Bewertungen der neuronalen Netze von MASSIMO den Teil der Massenspektren gut zu simulieren, deren Signale von Ionen hervorgerufen werden, die durch in den Regeln enthaltene Fragmentierungstypen gebildet werden. Im simulierten Spektrum von 3-Hexanon (siehe Abbildung 133) drehen sich die Intensitäten der Signale bei m/z 29 und 43 gegenüber der Simulation mit MASSIMO (siehe Abbildung 134) um. Da sowohl bei MASSIMO als auch bei EROS7 die neuronalen Netze identische Werte liefern, kann der Unterschied nicht daran liegen, daß nach der Umwandlung der RICOS-Datenstruktur in eine Bindungsliste, damit die physikochemische Eigenschaften berechnet werden können, EROS7 eine andere Struktur liefert als die, die MASSIMO generiert hat. Da die Reaktionswahrscheinlichkeiten für die beiden Carbonyleliminierungen (m/z 7143 und 5729) mit 0.454 und 0.453 auch fast gleich sind und auch die Symmetriezahlen in beiden Fällen eins sind, entspricht das Spektrum von EROS7 den Wahrscheinlichkeiten, obwohl das nicht ganz korrekt berechnete Spektrum von MASSIMO näher am experimentellen Massenspektrum liegt.

Für die Wasserstoffumlagerungen wurden wegen der geänderten Kinetik für die Umlagerungen neue Reaktivitäten bestimmt. Abbildung 135 zeigt den Spektrenvergleich: simuliertes gegen das experimentelle Massenspektrum von Methylstearat. Zum Vergleich ist das mit MASSIMO simulierte Spektrum von Methylstearat in Abbildung 136 dargestellt.

Abbildung 135: Spektrenvergleich von Methylstearat; experimentelles Spektrum: [22].

Abbildung 136: Von MASSIMO simuliertes Spekturm von Methylstearat.

Die von EROS7 simulierten Massenspektren entsprechen noch nicht ganz den Erwartungen, es konnte jedoch gezeigt werden, daß es auch mit dem auf der MO-orientierten Datenstruktur RICOS aufbauenden Programm EROS7 möglich ist, Massenspektren zu simulieren. Mit EROS7 hat man nun all die Möglichkeiten, die während der Erstellung der Regeln für MASSIMO vermißt wurden (siehe 4.5). Man kann nun darangehen, Fragmentierungs- und Umlagerungsregeln zu schreiben, die diese Möglichkeiten von RICOS und dem neuen Reaktionsgenerator von EROS7 nutzen. Bei der Wasserstoffumlagerung kann auch daran gedacht werden, diese deutlich zu vereinfachen. Bis jetzt wurden nacheinander alle möglichen Umlagerungen in den verschiedenen Entfernungen hin und zurück durchgeführt, was aufwendig und damit zeitraubend bei der Berechnung des Massenspektrums ist. Es wäre möglich, die nacheinander folgenden Umlagerungen zusammenzufassen und gleich die zusammengefaßte Wahrscheinlichkeit anzugeben. Dies ist möglich, da EROS7 aus einer gefundenen Reaktionssubstruktur auch mehrere Reaktionen erzeugen kann. So würde der Berechnungsaufwand und damit die Berechnungszeit für die Umlagerungen auf einen Bruchteil reduziert. Daneben hätte man auf diese Weise auch eine bessere Möglichkeit auf spezielle Situationen in der Folge der Umlagerungen einzugehen.



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