Computation of Mass Spectra Using Quantum Chemical Methods

Abstract

Mass spectrometry (MS) is widely used for the structural elucidation of compounds in a vast variety of scientific research. Unfortunately, many methods that aim to predict mass spectra cannot often elucidate the complete fragmentation pathways of unknown compounds. For this reason, the QCEIMS program was developed in 2013, which combines quantum chemical (QC) methods with statistical models to calculate standard 70 eV Electron Ionization (EI) mass spectra. In this thesis, this software was improved to compute more reliable EI spectra and extended to enable calculations of collision-induced dissociation (CID) processes. This development led to the renaming of the program to QCxMS (x = EI, CID), reflecting the greater general applicability of the software. For a perspective overview of the subject, the introduction to this thesis provides an outline of the operating principles of mass spectrometry and highlights the differences between the EI and CID methods. <br /> Since the software is based on calculating a statistically relevant number of dissociation processes through massively parallel molecular dynamics (MD) simulations, the use of fast and reliable QC methods is mandatory. In particular, semiempirical quantum mechanical (SQM) methods are well suited for this purpose, making the GFNn-xTB (n = 1, 2) methods essential in this context. Their implementation into QCxMS and the calculation of EI mass spectra are evaluated for various compounds consisting of organic, inorganic main-group, and transition metal elements. <br /> To enable the simulation of CID mass spectra, collision-based activation is implemented into the software in the form of different run types, allowing the calculation of slow heating and collision processes between ions and neutral gas atoms. The effectiveness of the method is shown by testing various benchmark structures. Furthermore, the unknown fragmentation pathways of the two large molecules nateglinide and zopiclone are fully elucidated for the first time, by combining generic rules and calculated MD trajectories. Unusual decompositions and unintuitive protonation sites are found and discussed. <br /> Developments for the CID module are concluded by removing the charge constraints on the molecular ion when calculating mass spectra. Negatively charged spectra of deprotonated organic compounds are calculated, and the influence of the deprotonation sites on the computed spectrum is analyzed. In addition, mass spectra of multiply charged compounds are calculated fully automatically, which was not possible by other methods so far.

Die Massenspektrometrie (MS) wird für die Strukturaufklärung von Verbindungen in einer Vielzahl wissenschaftlicher Forschungsarbeiten verwendet. Leider sind viele Methoden zur Vorhersage von Massenspektren oft nicht in der Lage, die vollständigen Fragmentierungswege unbekannter Verbindungen aufzuklären. Aus diesem Grund wurde 2013 das Programm QCEIMS entwickelt, das quanten-chemische Methoden (QC) mit statistischen Modellen kombiniert, um Standardisierte 70 eV Elektronenionisations (EI) Massenspektren zu berechnen. In dieser Arbeit wurde die QCEIMS-Software verbessert, um zuverlässigere EI-Spektren zu berechnen, und erweitert, um die Berechnungen von kollisionsinduzierten Dissoziationsprozessesen (CID) zu ermöglichen. Diese Entwicklung führte zur Umbenennung des Programms in QCxMS (x = EI, CID), was der größeren allgemeinen Anwendbarkeit der Software Rechnung trägt. Für einen perspektivischen Überblick über das Thema werden in der Einleitung dieser Arbeit die Funktionsprinzipien der Massenspektrometrie erläutert und die Unterschiede zwischen EI- und CID-Methoden herausgestellt. <br /> Da die Software auf der Berechnung einer statistisch relevanten Anzahl von Dissoziationsprozessen durch massiv parallele molekular-dynamische (MD) Simulationen basiert, ist die Verwendung schneller und zuverlässiger QC-Methoden zwingend erforderlich. Vor allem semiempirische quantenmechanische (SQM) Methoden sind für diesen Zweck gut geeignet, insbesondere sind die GFNn-xTB (n = 1, 2) Methoden in diesem Zusammenhang von großer Bedeutung. Ihre Implementierung in QCxMS und die Berechnung von EI-Massenspektren werden für verschiedene Verbindungen, bestehend aus organischen, anorganischen Hauptgruppen- und Übergangsmetallelementen, evaluiert. <br /> Um die Simulation von CID-Massenspektren zu ermöglichen, wird eine kollisionsbasierte Aktivierung in Form von verschiedenen "Run-Types" in die Software implementiert, die die Berechnung von langsamen Aufheizvorgängen und Kollisionsprozessen zwischen Ionen und neutralen Gasatomen ermöglicht. Die Effektivität der Methode wird durch den Test verschiedener Benchmark-Strukturen gezeigt. Darüber hinaus werden die unbekannten Fragmentierungswege der beiden großen Moleküle Nateglinid und Zopiclon erstmals vollständig aufgeklärt, indem generische Regeln und berechnete MD-Trajektorien kombiniert werden. Ungewöhnliche Zersetzungen und unintuitive Protonierungsstellen werden gefunden und diskutiert. <br /> Die Entwicklungen für das CID-Modul werden durch die Aufhebung der Ladungsvorgaben des Molekülions bei der Berechnung von Massenspektren abgerundet. Negativ geladene Spektren von deprotonierten organischen Verbindungen werden berechnet und der Einfluss der Deprotonierungsstellen auf das berechnete Spektrum wird analysiert. Darüber hinaus werden Massenspektren von mehrfach geladenen Verbindungen vollautomatisch berechnet, was mit anderen Methoden bisher nicht möglich war.