5/31/2013 UNIVERSIDAD DE PUERTO RICO EN AGUADILLA ÁREA DE QUÍMICA. Laboratorio de Química Orgánica

Transcripción

1 UNIVERSIDAD DE PUERTO RICO EN AGUADILLA ÁREA DE QUÍMICA Laboratorio de Química Orgánica Prof. Rafael A. Estremera Andújar, MS Dr. Carlos R. Ruiz Martínez, PhD. Dr. Carlos A. Nieves Marrero, PhD. JUNIO 2013 El uso de la espectrometría de masa (MS) como técnica analítica creció en forma exponencial desde que J. J. Thompson describiera en 1910 experimentos en los que iones gaseosos producidos por bombardeo electrónico de especies gaseosas neutras eran separados según el valor de su relación m/z (m, masa del ion en unidades de masa atómica de daltons (Da)) Joseph John "J.J." Thomson, nació el 18 de diciembre de 1856 y murió el 30 de agosto de Fue un científico británico y descubridor del electrón, de los isótopos, e inventor del espectrómetro de masa Nóbel de química para tres científicos por sus trabajos sobre estructura molecular Un norteamericano, un japonés y un suizo detallan la construcción de las proteínas John B. Fenn, premio a los 84 años Norteamericano doctoró en Química por la Universidad de Yale en Koichi Tanaka japones 43 años empresa Shimatsu Minucioso El biofísico suizo Kurt Wüthrich, de 64 años se ha ocupado, entre otras cosas, del análisis de las enfermedades ocasionadas por priones, como el «mal de las vacas locas» 1

2 Técnica utilizada para: Determinar masa y fórmula molecular Determinar patrón de fragmentación Confirmar información estructural obtenida por IR y NMR ( 13 C y 1 H) Ventajas Utiliza poca cantidad de muestra No utiliza luz Desventaja Técnica destructiva Técnicas Complementarias NMR MS IR UV-Vis En MS la molécula se vaporiza e ioniza usualmente por un bombardeo con una fuente de alta energía de electrones. La energía de estos electrones es típicamente alrededor de 6400 kj o 70 ev. Introducción de la muestra Fuente de ionización Separador o Analizador de masas Detector iónico Procesador de señal Registrador 2

3 Introducción de la muestra Fuente de ionización Separador o Analizador de masas Detector iónico Tipo Nombre (Acrónimo) Agente Ionizante Fase Gaseosa Desorción Impacto de electrónes (EI) Ionización química (CI) Ionización por electronebulizador (ESI) Desorción/ionización asistida por una matriz (MALDI) Bombardeo con átmos rápidos (FAB) Electrones energéticos Iones gaseosos reactivos Campo eléctico elevado Laser Haz de átomos energéticos Procesador de señal Registrador Introducción de la muestra Fuente de ionización Separador o Analizador de masas Detector iónico Analizador de sector magnético Espectrómetro de masas de cuadrupolo Anlizador de masas de tiempo de vuelo Separador de masas de trampa de iones Procesador de señal Registrador Resonancia Ciclotrón-ion con Transformada de Fourier (ICR-FT) Introducción de la muestra Fuente de ionización Separador o Analizador de masas Detector iónico La detección dependerá de cómo se efectuó la separación de los iones, es decir del tipo de analizador utilizado Un analizador cuadrupolar separa iones con valores diferentes de la razón masa/carga (m/z) de forma secuencial. Este tipo de detector de iones se denomina detector puntual. Un analizador de sector magnético puede separar iones en el espacio, lo cual permite que su arribo al detector pueda ser registrado de forma simultánea. Este tipo de detector iónico se denomina detector compuesto, y mediante su utilización el registro del arribo de los iones se realiza en el dominio del espacio. Procesador de señal Registrador 3

4 Los detectores puntuales dan espectros de masas donde el registro es función del tiempo. Los detectores compuestos es función del espacio. Dependiendo del analizador, los espectrómetros de masas pueden utilizar detectores puntuales, compuestos o ambos. Fuente de ionización : Es donde se evapora la muestra. Comúnmente la muestra se disuelve en un disolvente orgánico volátil (ej diclorometano o cloroformo). Hay un filamento el cual se calienta y produce el flujo de electrones que bombardean la muestra. Estos electrones son de alta energía (ej 70 ev). Al golpear la molécula, estos electrones arrancan un electrón de valencia de la molécula produciendo un radical catión. Este catión es relativamente inestable lo que induce a una fragmentación en cadena (el radical se fragmenta luego de la ionización). A través de la rendija, los iones pasan de forma acelerada con la ayuda de un campo eléctrico. 4

5 Magneto: Los fragmentos fluyen a través de una tubería curvada donde se encuentra un campo magnético fuerte. La función del campo magnético es desviar los fragmentos a diferentes rutas de acuerdo con su relación de masa/carga (m/z). Cualquier fragmento neutro presente en este punto, no puede ser desviado, por lo que se pierden en la pared de la tubería. Los fragmentos positivos llegan al detector. Detector: El detector registra los fragmentos en forma de picos según su relación m/z. Como la carga comúnmente es +1, el valor m/z es sencillamente la masa del ion. Una vez procesada la información en el detector, se obtienen el espectro de masas. Energía de ionización Grupos funcionales en la molécula Método de ionización Presión y temperatura Diseño instrumental 5

6 Se requieren 400 kj de energía para romper un enlace sigma (σ) por lo que 6400 kj es una cantidad enorme de energía para tener contacto para la muestra. Se forma una especie llamada radical - catiónico simbolizado como M +. Un simple electrón tiene una masa despreciable por lo que la masa molar de M +. representa la masa molar o el peso molecular de la muestra (M), como el ion molecular es inherentemente inestable se descompone. Un enlace sencillo se rompe y forma fragmentos radicales y cationes que tienen un bajo peso molecular comparado con el ion molecular. El espectrómetro de masa analiza solo la masa de los cationes. Los cationes son acelerados en un campo eléctrico y desviado en una trayectoria curva de un campo magnético por lo que clasifica el ión molecular y sus fragmentos por una razón de masa a carga (m/z). Como z es casi siempre 1, m/z realmente mide la masa (m) de los iones individuales. El espectrómetro de masa grafica las cantidades de cada catión, es la abundancia relativa vs. su masa. El MS analiza las masas de moléculas individuales no el peso promedio de las masas de grupos o moléculas, a si que las masas de números enteros de los isotopos individuales más comunes son utilizados para calcular la masa del ión molecular. Por lo que la masa del ión molecular para CH 4 debe ser 16. Como resultado la masa de CH 4 muestra una línea para el ión molecular M o m/z = 16. 6

7 Qué o quienes son los responsables por los picos menores de m/z? Como el ión molecular es inestable, se fragmenta en otros cationes y radicales catiónicos que contienen 1, 2, 3 y 4 H s menos que el metano (CH 4), por lo que los picos m/z = 15, 14, 13 y 12 que se observan se deben a estos fragmentos de bajo peso molecular. La descomposición de los iones moleculares en sus fragmentos de bajo peso molecular se le llama fragmentación. Se representa por una gráfica de barras con la masa (valores m/z) en el eje de X y la intensidad realtiva en el eje de Y. Al pico más alto se le denomina pico base y se le asigna una abundancia del 100%. La abundancia de los otros picos se expresan como un porcentaje relacionado al pico base. El ión molecular (M +. ) corresponde a la masa de la primera molécula. Por lo general corresponde a un radical de un catión. El pico base no corresponde necesariamente a la masa del ion molecular. 7

8 El pico base en ocasiones puede representar el ion molecular, como en la figura a. Mientras mas grande es la cadena mayor es la fragmentación del alcano (figura b.). Pico base e Ión molecular Metano Pico base Propano Ión molecular Desafortunadamente, no todos los compuestos muestran un ion molecular en su espectro de masas. Aunque por lo regular M +. es fácil de identificar si es abundante, algunos compuestos, como 2,2- dimetilpropano, se fragmentan tan fácilmente que no se observa el ión molecular. (C 5 H 12 : MM = 72) Formación del radical catión Molécula (M) M + + e - M + = radical catión = ion molecular = ion padre Radical = número de e - sin parear Catión = tiene menos e - comparado con la sustancia inicial Masa de M + : Representa la masa molecular de la molécula (M) Perdida de solamente un e - su carga es +1 CH 3 OH + e - CH 3 OH.+ m/z = 32 Ionización de metanol 8

9 M + es inestable por lo que se puede descomponer. Fragmentación: proceso de ruptura de M M + Menor peso molecular del M + Radicales Cationes Analizados por MS Nota: Un espectro de masa ofrece información estructural acerca del compuesto porque los valores de m/z y la abundancia relativa de los fragmentos dependen de la fuerza de los enlaces del ión molecular y de la estabilidad de los fragmentos. En general: Los enlaces débiles se rompen de preferencia frente a los enlaces fuertes, y los enlaces que se rompen para formar fragmentos más estables se forman más que los que forman fragmentos menos estables. M + es inestable y se puede descomponer: radicales y cationes CH 3 OH + e - CH 3 OH.+ m/z = 32 CH 3 OH.+ CH 2 OH + + H. m/z = 31 CH 3 OH.+ CH OH m/z = 15 CH 2 OH + CHO + + H 2 m/z = 29 Se forman fragmentos cargados y sin carga, pero en el espectrómetro de masas sólo se detectan los fragmentos cargados positivamente. Utilización de los picos de los isótopos más pesados: El pico del ión molecular con frecuencia proporciona información sobre la fórmula molecular ya que la mayoría de los elementos no están formados por un solo isótopo, sino que contienen isótopos más pesados en cantidades variable. Estos isótopos más pesados dan lugar a picos pequeños a números de masa superiores a los del pico del ión molecular (M +. ). M + 1 Es una unidad de masa superior a M +. M + 2 Es dos unidades de masa superior a M +. 9

10 Elementos reconocibles en el espectro de masa: Br M + 2 tiene la misma intensidad que M +. Cl M + 2 tiene 1/3 la intensidad de M +. I I+ a 127; se pierde este fragmento (M ) N M +. impar S M + 2 es mayor que el pico M + 1 Elementos que dan señal de M+2 18 O (0.2%) 34 S (4.40%) 37 Cl (32%) 81 Br (98%) Regla del nitrógeno: Compuestos con masa molar impar tienen un número impar de átomos de nitrógeno, dando origen a una señal de m/z impar Reglas de fragmentación de los compuestos orgánicos 1ª REGLA: Los enlaces Carbono-Carbono se fragmentan con preferencia en los puntos de ramificación. La carga positiva quedará sobre el carbocatión más estable. 2ª REGLA: Los enlaces dobles o sistemas de dobles enlaces (entre ellos los aromáticos) favorecen la fragmentación de los enlaces alílicos y bencílicos. La carga positiva quedará normalmente formando un carbocatión arílico o bencílico. En este último caso da lugar a la formación del ión tropílio (C 7H 7+ ) que es más estable que aquel al ser aromático. 3ª REGLA: Los heteroátomos favorecen la fragmentación de los enlaces del átomo de Carbono que une al heteroátomo Mientras que muchos químicos utilizan los espectros de masa para determinar solo compuestos con masa molecular y fórmula molecular, en adición podemos obtener información estructural útil con el patrón de fragmentación. También cada compuesto orgánico se fragmenta de una forma única, grupos funcionales particulares exhiben patrones de fragmentación comunes. 10

11 Pentano Ejercicio Use los siguientes EM para diferenciar entre la 2 y la 3-pentanona [CH 3 CO] + [COCH 2 CH 2 CH 3 ] + [CH 3 CH 2 CO] + m/z = 43 y 71 m/z = 57 USO DEL MS DE BAJA RESOLUCIÓN PARA ENCONTRAR LA MASA FÓRMULA RELATIVA (PM) En la mayoría de los casos, el ión más grande que recorre la máquina es el ión molecular La masa fórmula relativa de este compuesto es 72 Con esta información (Masa molecular) y otras relativas a los elementos que forman el compuesto, se puede hacer una estimación de la fórmula molecular. Este caso trivial puede complicarse por la presencia de isótopos 11

12 USO DEL MS DE ALTA RESOLUCIÓN PARA ENCONTRAR LA FÓRMULA MOLECULAR. Las masas isotópicas exactas nos permiten diferenciar entre compuestos Espectrometría de masa de alta resolución - mide razón de m/z a 4 o más lugares decimales Cuál es el responsable del pequeño pico m/z = a 17 en el espectro de CH 4? Aunque muchos átomos de carbonos tienen una masa atómica 12, 1.1% de este tiene un neutrón adicional en el núcleo dando una masa atómica de 13. Cuando uno de esos isótopos de C-13 forma metano nos da un pico de ion molecular m/z = 17 en el espectro de masas. Los elementos más pesados no están formados por un solo isótopo, sino que contienen isótopos más pesados en cantidades variables. Los isótopos más pesados dan lugar a picos pequeños a números de masa superiores a los del pico del ión molecular M +. La altura de los picos M +, M + 1 y M + 2 dependerá de la composición isotópica del elemento en cuestión. 12

13 S - M + 2 es mayor que el pico M + 1 mayor de lo habitual Cl - M + 2 tiene 1/3 la intensidad de M Br - M + 2 tiene la misma intensidad que M + I - I+ a 127; se pierde este fragmento (M ) N - M + impar Problema: Diga en cuál de estos espectros de masa hay azufre, cloro, bromo, yodo o nitrógeno. Br - M + 2 tiene la misma intensidad que M + Cl - M + 2 tiene 1/3 la intensidad de M I - I+ a 127; se pierde este fragmento (M ) N - M + impar S - M + 2 es mayor que el pico M + 1: mayor de lo habitual El catión-radical del 2-hexeno se rompe por un enlace alílico para dar lugar a un catión metil-alílico estabilizado por resonancia, m/z = 55. Siempre que sea posible, la fragmentación producirá especies estabilizadas por resonancia, tales como los cationes metil-alílicos, los cationes alílicos y los cationes acilios. 13

14 Cada grupo funcional exhibe un patrón de fragmentación característico que nos ayuda a analizar los espectros de masa. Por ej. Aldehídos y Cetonas a menudo sufren el proceso de rompimiento α (alfa), rompiendo el enlace entre el C del C=O y el carbono adyacente. El rompimiento nos produce un radical neutral y un ion acilinio que se estabiliza por resonancia. Compuestos carbonílicos: Arreglo de McLafferty cetonas y aldehídos que tiene un hidrógeno en un carbono a tres átomos del grupo carbonilo, experimenta una ruptura muy característica donde se transfiere el átomo de hidrógeno al oxígeno carbonlico y se rompe un enlace C-C produciendo un alqueno neutro. Los alcoholes sufren la fragmentación en dos diferentes rutas o lugares; rompimiento alfa y deshidratación. Rompimiento alfa ocurre con el rompimiento del enlace entre el grupo alquilo y el C que lleva el grupo OH resultando en un radical alquilo y un C+ estabilizado por resonancia. 14

15 Deshidratación: la eliminación de una molécula de agua de dos átomos adyacentes. La deshidratación ocurre con el rompimiento de dos enlaces, formando H 2O y el radical catiónico se deriva un alqueno radical catiónico. La pérdida de Agua de un alcohol siempre forma el fragmento con una masa de 18 unidades menos que el ion molecular. Espectro para 2-hexanol con su respectivo mecanismo Benceno Tolueno 15

16 Cromatografía de Gas espectrometría de masa GC-MS. Dos herramientas analíticas se combinan en un instrumento sencillo, GC y MS. 16