13/04/2011

1

� És una tècnica analítica capaç de separar i detectar espècies moleculars i (atòmiques) segons la seva massa.

� És aplicable a molts tipus de mostres des de composts molt simples i petits fins als més grans com les proteïnes i els polímers.

13/04/2011

2

�Es pot obtenir molta informació amb una quantitat molt petita de compost.

� No implica la absorció o emissió de llum.

�S’utilitza, un feix d’electrons d’alta energia que romp la molècula en fragments

�Les masses dels fragments y la seva abundància relativa proporciona informació sobre l’estructura de la molècula

� És una tècnica destructiva:la mostra no es pot recuperar.

13/04/2011

3

Espectrometria de Masses

� La principal aplicació en química orgànica és:

-Determinar la massa molecular dels composts orgànics.

-Determinar la fórmula molecular dels composts orgànics

Com s’aconsegueix?

� Convèncer a la molècula que ha d’entrar en fase gas (No sempre és fàcil).

� Produint ions de les molècules que hi ha a la fase gas.

� Separar els ions d’acord amb la relació de la seva massa-càrrega (m/z)

� Mesurant i enregistrant aquests ions

13/04/2011

4

� Mesures exactes de masses per el càlcul de fórmules empíriques.

� Empremtes de fragmentació (finguerprints), específiques per cada compost. Poden ésser útils per identificar mostres per comparació amb bases de dades.

� Detecció de patrons de fragmentació per la detecció de grups funcionals

� Detecció de l’abundància isotòpica dels composts que formen part d’un determinat compost.

M M+.

m/z 29

m/z 27

m/z 13

m/z 43

m/z 57

ionització

Pm = 58Absorcióde l’excésd’energia

13/04/2011

5

m/z 29

m/z 27

m/z 13

m/z 43

-Anàlisi de la massa de tots els ions.

-Recollida de dades

-Representació diagrama de barres

13/04/2011

6

L’espectre de masses

Les masses apareixen tabulades segons la seva abundància relativa

Pic base

Pic molecular

13/04/2011

7

� Decidir si el pic més alt observat correspon a un ió molecular o és un dels fragments o una impuresa pot ser molt difícil.

Detecció/ anàlisis fragments

Separació fragments (ions)

Ionització mostra

Introducció de la mostra

13/04/2011

8

RH + e- → [RH] + ● + 2 e-

Un feix d’electrons a alta energia fa que un electró de la capa de valència de la molècula es desprengui de la molècula donant lloc al catió radical molecular

La tècnica més comú per produir els ions es diu EIMS (electron impact mass spectrometry)

� Implica vaporitzar un compost dins una càmera al buit (10-6 – 10-7 torr) i bombardejar amb electrons d’energia compresa entre els 25- 80 eV.

� Aquest mètode es coneix com un procés d’ionització fort.

13/04/2011

9

� La fragmentació més simple d'espècies moleculars pot ocórrer mitjançant una ruptura homolítica o heterolítica d’un enllaç.

� Les ruptures homolítiques son les més comunes.

� En alguns casos el pic base i el molecular coincideixen. Hi ha mètodes d’ionització que s’han dissenyat per optimitzar aquesta situació.

� Els processos de fragmentació que generen els diferents pics son característics dels diferents grups funcionals i dels diferents esquelets moleculars.

� Els fragments resultants poden esser neutres o carregats, però és important adonar-se que el detector de masses només detecta les espècies carregades.

13/04/2011

10

� Cada enllaç no equivalent a una molècularepresenta un lloc potencial per donar lloc ala fragmentació i açò contribueix aaugmentar el nombre d'espècies que espoden formar

� Les noves especies poden donarreordenaments abans o després de lafragmentació.

� És d’esperar que per un major nombred’enllaços les combinacions dels fragmentsiònics detectats sigui més gran

� Desafortunadament és possible explicar només una petita fracció dels fragments observats i relacionar-los amb un mecanisme de ruptura concret.

� Alguns grups funcionals poden ser identificats per MS però moltes característiques de les molècules com les conectivitats entre els àtoms, estereoquímica, deslocalització electrònica, polaritat, rarament poden ser identificats per MS

13/04/2011

11

ABCD + e- ABCD+ + 2e-

ABCD+ BCD�

CD�

AB�

C�

D�

A+

AB+

CD+

A+

B+

C+

D+

+

+

B� +

A� +

++

+

Formació de ionsmoleculars

Fragmentació

ABCD+ ADBC+

BC·

AD·

+ AD+

+ BC+

redistribució seguida de fragmentació

ABCD+ + ABCD (ABCD)2 BCD· + ABCDA

13/04/2011

12

Esquema d’un espectròmetre de

masses

r = mv/qB

Com es separen els ions?

� Emprant un camp magnètic que és capaç de provocar la deflexió dels cations obtinguts.

� La intensitat de la deflexió depèn de la relació m/q (massa/carga).

� La senyal que s’obté en el detector és proporcional al nombre de ions que xoquen contra ell.

� Variant el camp magnètic es poden recollir i contar ions de totes les masses.

13/04/2011

13

Separació dels Ions

� Només els cations son desviats per el camp magnètic.

� La desviació depèn de la relació m/z.� La senyal del detector es proporcional al

nombre d’ions que incideixen damunt ell� Canviant el camp magnètic, els ions de totes

les masses es recol�lecten i es conten

� L’aplicació més important és la d’observar el ió corresponent al pic molecular per determinar la massa del compost que està en estudi.

13/04/2011

14

C6H14Mw = 86.18

8671

57

43

29

15

2,3-dimetilbutà

27

42

71

43

86

M+·

C6H14

13/04/2011

15

Ciclohexà

84

69

56

41

27

M+·

C2H12

2,2,4-trimetilpentà

99

57

43

C8H18

Mw = 114.2

99+

57+

43+

13/04/2011

16

toluèCH3

CH3+ · CH2

+ ·

+ ·

- C2H2

· +

M+ M-1 iò tropili m/e = 65

65

91

C7H8Mw = 92.1

92

Abundància isotòpica

� En l’espectrometria de masses es determina la massa dels fragments generats, per tant els fragments que contenen diferents isòtops es distingeixen.

� Ja que hi ha molt pocs elements que son monoisotòpics. Per tant en l’espectre de MS de baixa resolució es considera la massa del mes abundant.

13/04/2011

17

Abundància isotòpica

81Br

Abundància isotòpica

� Per un compost del tipus CnHmOyNz el pic molecular així com els altres es consideren a partir dels isòtops majoritaris 12C, 1H, 16O, 14N. Els isòtops minoritaris d’aquests element no superen el 2% d’abundància relativa.

13/04/2011

18

Abundància

isotòpica

� Per un compost C7H6ClNO hi ha que esperar pics des de 155 a 173.

� Les més importants son les marcades en verd considerant la seva abundància

Abundància isotòpica� L’espectre observat

seria així

13/04/2011

19

Abundància Isotòpica

Abundància Isotòpica

13/04/2011

20

Abundància Isotòpica

Quan hi ha un àtom de Br es detecten dos pics de M i M+2

13/04/2011

21

Regla del 13

� Per calcular el nombre de C que hi ha a una molècula una vegada identificat el pic molecular.

� Es suposa que la fórmula es CnHn, per tant la massa serà múltiples de 13 (12+1).

M/13 = valor d’n. el resta de la divisió indica el nombre d’H adicionals.

Regla del 13

� Exemple

� M+. = 92 92/13 = 7 i r=1 per tant la fórmula és C7H8

� Per considerar heteroàtoms la fórmula obtinguda es modifica segons les equivalències:

13/04/2011

22

EquivalènciesElement CH

equivalentElement CH

equivalent1H12 C 31P C2H7

16O CH432S C2H8

14N CH216O32S C4

16O14N C2H635Cl C2H11

19F CH779Br C6H7

28Si C2H4127I C10H7

� Ex M+. = 108 C, H, O108/13 r= 4 per tant C8H12

O = CH4 C8H12- CH4 + O = C7H8O però hi ha altres possibilitats

C8H12- 2 (CH4) + 2 O = C6H4O2

C8H12- 3 (CH4) + 3 O = C5H1O3

13/04/2011

23

� Ex M+. = 93 C, H, N

93/13 = 7 r= 2 per tant C7H9

N = CH2

C7H9 - CH2 + N = C6H7NC7H9 – 2(CH2) + 2N = C5H5N2

C7H9 – 3 (CH2) + 3N = C4H3N3

Interpretació

� Composts que contenguin C, H, O sempre tenen un pes molecular parell i presenten un pic molecular parell i un nombre parell d’H

� Composts amb un àtom d'halogen segueixen el mateix patró anterior.

� Quan una massa parell es fragmenta per un únic enllaç el fragments tenen una m/z sanar,i un nombre sanar d’hidrogens. La mateixa regla es dona si es rompen un nombre sanar d’enllaços.

13/04/2011

24

Interpretació

� Els composts que tenen un únic N segueixen les regles contràries a les anteriors.

� CnHmOyN1 tindrà una massa sanar i un nombre sanar de H.

� Si hi ha més d’un nitrogen el cas anterior es compleix per un nombre sanar de N i s’inverteix quan hi ha un nombre parell.

En resum:

� Hidrocarburs contenen 1.1% 13C, per tant hi haurà un petit pic a M+1.

� Si hi ha Br el pic M+2 te la mateixa intensitat que M+.

� Si hi ha Cl, el pic M+2 is un terç de M+.� Si hi ha N , M+ serà un nombre sanar.� Si hi ha S, M+2 sera el 4% of M+.

13/04/2011

25

13/04/2011

26

Pautes a considerar per fer una

anàlisis d’un MS

� Identificar el pic molecular (si és possible)� Determinar la fórmula molecular (si es

desconeix)� Identificar el pic base i observar si es parell o

sanar� Considerar les regles de parell/sanar per

determinar el nombre d’enllaços fragmentats� Analitzar la presència d’heteroàtomo com S,

Si, cl, Br, els quals donen grups de pics