Espectrometría de masas

Transcripción

1 Espectrometría de masas

2 La espectrometría de masas (EM) no es una técnica espectroscópica en sentido estricto, puesto que no implica absorción de radiación electromagnética. La EM permite utilizar cantidades de muestra inferiores alos nanogramos (10-9 gramos).

3 Se introduce una molécula en la cámara de ionización y se bombardea con una corriente de electrones : La molécula se ioniza- pierde un electrón dando lugar a la formación de un ión-radical

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5 En la EM la muestra es ionizada (y por tanto destruida) usando diversos procedimientos para ello. De todos ellos el más usual y/o utilizado es la técnica denominada de Impacto Electrónico (EM-IE) consistente en el bombardeo de la muestra (previamente vaporizada mediante el uso de alto vacío yuna fuente de calor) con una corriente de electronesaalta velocidad. Ello produce que la sustancia pierda asu vez algunos electrones yse fragmente dando diferentesiones, radicalesymoléculasneutras. Los iones (moléculas ofragmentos cargados), ysolo ellos, son conducidos mediante un acelerador de iones a un tubo analizador curvado sobre el que existe un fuerte campo magnético y conducidos a un colector/analizador sobre el que se recogen los impactosde dichos iones en funciónde la relación carga/masa(m/z) de los mismos Posteriormente dichos impactos son transformados en un espectro de masas como el que se muestra a continuación:

6 La intensidad de los picos nos indica la cantidad relativa de iones que poseen dicharelacióncarga/masa.

7 La intensidad de los picos nos indica la cantidad relativa de iones que poseen dicharelacióncarga/masa. La separaciónde los diferentesiones se basa en la relación: m/z = 2 R 2 /2V es la intensidad del campo magnético; R el radio de deflexión del tubo analizador V es el potencial de aceleración utilizado. Dicha expresión puede deducirse de las expresiones que relacionan, de una parte la energía cinéticade los iones: (z V = m v2/2) yde otra el movimientode una partículacargada en un campo magnético: (m v = R E) Como curiosidades indicaremos que la velocidad de los iones suele ser de unos 100 Km/s, que el radio de deflexión (R) suele ser de unos cm yel tubo analizadorsuele ser un sector esféricode aproximadamenteun metro de longitud.

8 El electrón que se pierde es el de menor potencial de ionización; así se obtendrán unas estructuras como las que se muestran:

9 Notación para los iones en EM etileno: C C ó C C 2 C C 2 Debe tenerse en cuenta que son más fáciles de remover los electrones π que los σ. ó etano: C C ó C C m/z = 30 m/z = 30 m/z = 30 ó C C Consideramos solo la ionización del enlace Carbono-Carbono La notación entre corchetes, si bien es muy utilizada no refleja la realidad pura, indica un total de 15 electrones sigma, mientras que las otras son algo más correctas al indicar solamente 13. benceno: ó ó ó + +

10 ciclohexanona: O ó O clorociclohexano: Cl ó Cl En los dos últimos ejemplos, los electrones n son los más fáciles de remover.

11 El ión molecular: Generalmente es el ión con mayor masa de los que aparecen en el espectro. Debe contener todos los elementos presentes en sus fragmentos. Debe corresponder al ión con el potencial de ionización más bajo. Su relación m/z debe ser: par cuando no posee Nitrógeno o posee un número par de ellos; por la misma razón debe ser impar cuando posee un número impar de átomos de Nitrógeno (Regla del nitrógeno). Las diferencias de masa entre el ión molecular y los fragmentos que aparecen en el espectro deben ser químicamente lógicas. Su abundancia relativa depende de la naturaleza química del producto. Cualitativa y aproximadamente la intensidad del ión molecular se relaciona con el grupo principal presente en la molécula : Compuestos aromáticos > olefinas conjugadas > compuestos alicíclicos > sulfuros > hidrocarburos lineales > mercaptanos > cetonas > aminas > esteres > éteres > ácidos carboxílicos > hidrocarburos ramificados > alcoholes

12 Se puede utilizar el ión molecular para la determinación de la fórmula molecular de la sustancia. Cuando se obtiene un espectro de masas de alta resolución (R-EM) es posible distinguir entre fórmulas de igual masa, debido a que los elementos tienen un peso atómico que permite distinguir entre ellas. En la siguiente tabla se muestran algunas diferencias de masas de combinaciones atómicas para el pico de masa 43. Combinación atómica Masa exacta CNO C 2 3 O C 3 N C 2 5 N C

13 En esta siguiente tabla se muestra la causa de tales diferencias, que no es otra que la masa exacta de los elementos debido a la distribución isotópica de los mismos. Elemento Peso Atómico Isótopos idrógeno Carbono C 13 C Nitrógeno N 15 N Oxígeno O 17 O 18 O Abundancia relativa (%) Masa atómica Fluor F Silicio Si 29 Si 30 Si Fósforo P Azufre S 33 S 34 S 36 S Cloro Cl 37 Cl Bromo Br 81 Br Iodo I

14 Fraccionamiento del ión molecular Dependiendo del tipo de ruptura del enlace la fragmentación simple puede ser homolítica o heterolítica, siendo en ambos casos el resultado de la misma la formación de un radical (que no es detectado en el espectro de masas) y un catión: Como característica de dicha fragmentación simple cabe indicar que si el ión molecular no contiene Nitrógeno (su masa es par) los fragmentos tienen masa impar.

15 A su vez los cationes formados en esta fragmentación pueden sufrir nuevas fragmentaciones bien por via homolítica (producirían radicales e iones radicales) o heterolítica (producirían moléculas neutras y otro catión).

16 Un caso algo especial es el de las moléculas cíclicas, pues cuando se rompe un enlace del anillo lo que se obtiene es un nuevo ión radicalhomólogo del ión molecular,pero ahora lineal.

17 Dichos iones radicales sufren posteriormente nuevas fragmentaciones y/o transposiciones dando lugar a cationes de masa par o impar respectivamente:

18 Dichos iones radicales sufren posteriormente nuevas fragmentaciones y/o transposiciones dando lugar a cationes de masa par o impar respectivamente:

19 La vida media de las especies ionizadas En espectrometría de masas, algunos tipos de compuestos podrán acomodar mejor que otros la carga positiva y tener así un tiempo de vida mayor. Esto se observa cuando dicha carga puede deslocalizarse. En consecuencia: cuanto mayor es la vida media, mayor es la abundancia (mayor intensidad del pico)

20 1,3-butadieno: Catión radical: ó ó (Notaciones mas correctas) Paralas últimas estructuras hay posibilidad dedeslocalización. para benceno (como catión radical):... para naftaleno:......

21 Tabla las masas de los fragmentos más característicos y frecuentes (Estos fragmentos son característicos de iones pero también de perdidas del ión molecular) MASA DEL IÓN ASIGNACIÓN 29 Etilo (C 2 5 ), formilo (CO) 30 Nitroso (NO) 31 Metoxilo (C 3 O), hidroximetilo (C 2 O) 39 Ciclopropenilo (C 3 3 ) 41 Alilo (C 2 C=C 2 ) 43 Propilo (C 3 7 ), acetilo (C 3 CO) 45 Carboxilo (COO) 46 Nitro (NO 2 ) 55 Butenilo (C 4 7 ) 56 C t-butilo (C 4 9 ), Propanoilo (C 3 C 2 CO) 60 Acido acético 65 Ciclopentadienilo (C 5 5 ) 77 Fenilo (C 6 5 ) 91 Bencilo (tropilio, Ph-C 2 ) 92 Metilenpiridina (azatropilio, C 5 5 N-C 2 ) 105 Benzoilo (Ph-CO) 127 Iodo

22 Fragmentaciones y transposiciones del ión molecular Roturas de un enlace simple (σ): Producen siempre un catión yun radical, se conoce como fragmentación simple:

23 Fragmentaciones y transposiciones del ión molecular Rotura simultánea de DOS enlaces simples: produce normalmente la eliminaciónde moléculasneutras. En este tipo se engloban también las transposiciones oreagrupamientos a través de estados cíclicos como la retro Diels-Alder y la transposición de McLafferty:

24 Reglas de fragmentación de los compuestos orgánicos Independientemente del tipo de ruptura (homo o heteronuclear), las fragmentacionesresponden aalguna de las cuatro reglas siguientes : 1ª REGLA: Los enlaces Carbono-Carbono se escinden con preferencia en los puntos de ramificación. La carga positiva quedará sobre el carbocatión más estable, siendo la estabilidad de estos: Terciario > Secundario > Primario > Metilo.

25 Reglas de fragmentación de los compuestos orgánicos 2ª REGLA: Los sistemas de dobles enlaces favorecen la escisión de los enlaces alílicos ybencílicos. La carga positiva quedará normalmente formando un carbocatión alílico o bencílico. En este ultimo caso debemos hacer notar que NO es un catión bencilo lo que se forma sino que se reagrupa formando el IÓN TROPÍLIO (C77+) que es aromático.

26 Formación del Ión tropilio Ej. etilbenceno se fragmenta generando señales a m/z 91 y a m/z 77. C 2 C 3 C 2 C 2... C 3 + m/z = 91 Este tipo de Clivaje se conoce como bencílico, pero la representación más correcta del fragmentoam/z 97 es como ión tropilio. C 2 C (hay expanción del anillo) ión tropilio m/z =91 C 2 C 3 C este clivaje se conoce como vinílico m/z = 77

27 Reglas de fragmentación de los compuestos orgánicos Un caso especial lo constituye el caso de los cicloalquenos pues poseen dos enlaces en posición alílica, sufriendo la fragmentación simultánea de ambos enlaces, es lo que se conoce como reacción de RETRO DIELS-ALDER.

28 Reglas de fragmentación de los compuestos orgánicos 3ª REGLA: Los heteroátomos favorecen la fragmentación de los enlaces del átomo de Carbono que soporta al heteroátomo o del enlace C-C en posición alfa.

29 Ruptura enlace C-X Ruptura en alfa

30 Ruptura enlace C-X Ruptura en alfa

31 Si se trata de un grupo carbonilo (C=O), el ión más estable suele ser el ión acilo (RCO+).

32 Reglas de fragmentación de los compuestos orgánicos 4º REGLA: Los dobles enlaces y los heteroátomos favorecen, como aceptores de idrógeno, la transposición de un hidrógeno a través de un estado cíclico de transición de seis miembros Se conoce como Transposición específica de idrógeno o Transposición de McLafferty.

33 Reordenamiento o transposición McLafferty Para que se produzca debe existir un átomo de idrógeno en posición g (gama) respecto al doble enlace aceptor de idrógeno. La experimentan compuestos insaturados de formula general: R' A B a g D bb C R γ C β 2 C α C 2 O R' R C C C O R' La transposición de McLafferty da lugar a un alqueno y a una forma enólica de una nueva cetona.

34 Transposición de McLafferty Ejemplos: Una cetona con en gama fragmentación del catión-radical del 1-penteno: C C C 2 C 2 C 2 C C 3 C 2 + Ruptura heterlítica C 2 C 2 C C 2 C 3 C 2 C C 2 C 2 C + Ruptura homolítica C 2 C 2

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37 Alcanos Se observan los iones moleculares, aunque con baja intensidad El pattern de fragmentación presenta picos que difieren en 14 unidades de masa (pérdida de C 2 )

38 IDROCARBUROS SATURADOS En ellos el pico molecular suele aparecer aunque aveces con una intensidad baja. Su espectro presenta un conjunto de picos separados en 14 unidades de masa. Siendo normalmente los picos más intensos los correspondientes a C3 yc4 (m/e 43 y57 respectivamente). La presencia de ramificaciones da lugar ala rotura por los puntos de ramificación (1ª Regla de la fragmentación simple) aumentando las intensidades de los iones secundarios formados en dichas roturas.

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40 Los hidrocarburos saturados alicíclicos suelen presentar un pico molecular intenso. Suelen ser espectros complejos en los que suelen predominar las perdidas de etileno (M-28) y la perdida de la cadena lateral (caso de existir).

41 EM de tres hidrocarburos isómeros n-pentano 2-metilbutano 2,2-dimetilpropano. En todos los casos, el pico correspondiente al ión molecular (m/z =72) es de poca intensidad, sin embargo, los espectros de los tres compuestos son muy diferentes

42 n-pentano: Presenta fragmentaciones indiscriminadas de enlaces carbono-carbono. Además de las señales del ión molecular se observa una señal a m/z = 57 (M - C 3 )+, seguida de otras que indican la progresiva pérdida de unidades C 2, m/z = 43 (M - C 2 -C 3 )+ y m/z = 29 (C 3 -C 2 )+. Estas señales se encuentran rodeadas de grupos de otras de menor intensidad que indican la presencia de 13 C (M+1)+ y la pérdida de hidrógenos: (M-1)+, etc. C 3 +, m/z = 15 C 3 7 +, m/z = 43 3 C 2 C 2 C 2 C C C 2 5 +, m/z = 29 M, m/z = 72 C 4 9 +, m/z = 57

43 2-metilbutano presenta una distribución de fragmentos similar a la del pentano, sin embargo las intensidades relativas de los picos son distintas. ay una señal (M-1) + de mayor tamaño a m/z =71 y otra muy intensa a (M - alquilo) + a m/z =57 y 43, debido a la relativa estabilidad de los cationes producidos por las fragmentaciones preferentes en el centro más sustituido situado en C-2 C 3 3 C C 2 C C 3 3 C C C 3 m/z = 43 Carbocatión secundario estable por resonancia M, m/z = 72 - C 2 5 C 4 9 +, m/z = 57 ([M-C 3 + ]) C 2 5 +, m/z = 29

44 2,2-dimetilpropano En este caso, la pérdida de un radical metilo del ión molecular produce el catión 1,1- dimetiletilo (ter-butilo) como pico base a m/z 57. Esta fragmentación se da tan fácilmente que el ion molecular apenas es visible. El espectro también presenta picos a m/z 41 y 29, resultado de reorganizaciones de carbocationes. C 3 3 C C C 3 3 C C C 3 m/z = 57 Carbocatión terciario muy estable por resonancia C 3 M, m/z = 72 - C 3 C 3

45 IDROCARBUROS INSATURADOS Suelen presentar el pico del ión molecular, aparentemente formado por la perdidade un electrón π. Los picos más representativos suelen corresponder a la formación de cationes alílicos como consecuencia de la rotura de los enlaces en posición alílica respectoal doble enlace(2ª Regla de la fragmentación), aunque hay que tener en cuenta la posibilidad de transposiciones o reagrupamientos y también la posibilidad de transposición de McLafferty.

46 idrocarburos Aromáticos Los iones moleculares son los picos intensos debido a la estabilidad de sus estructuras

47 IDROCARBUROS AROMÁTICOS Los hidrocarburos aromáticos suelen presentar un intenso pico del ión molecular. Si son ramificados (alquilbencenos) la ruptura mas característica suele corresponder a la formación de ion tropilio (C 7 7, m/e 91) o iones tropilio sustituidos, normalmente acompañados de un pico am/e 65 debido ala perdida de acetilenodel mismo. Si la cadena es lo suficientemente larga también se observan los picos de la transposición de McLafferty (m/e 92).

48 Topilio m/z 91

49 aluros de alquilo La presencia de átomos de Cl o Br se reconoce por sus picos isotópicos

50 Bromuro de metilo: un ejemplo de cómo los isótopos pueden ayudar en la interpretación La relación de los picos conteniendo 79 Br y su isótopo 81 Br (100/98) confirma la presencia de bromo en el compuesto.

51 aluros de alquilo Mientras que el F y I son monoisotópicos, el Cl y el Br no lo son, su presencia de estos se pone de manifiesto por la aparición de dos picos correspondientes al ion molecular de masas M y M +2, Cl con una relación de intensidad 1/3 de M Br prácticamente iguales en intensidad. El fragmento más abundante suele corresponder a la rotura del enlace C-X dando lugar a C + (3ª Regla de la fragmentación simple). Suele ser frecuente la pérdida de Cl y formación del alqueno. Suelen aparecer iones bromonio cíclicos cuando se puede formar un anillo de 5 miembros.

52 Alcoholes: Los iones moleculares de los alcoholes son muy pequeños o inexistentes Generalmente ocurren rupturas de enlaces C-C próximos al -O Son muy frecuentes las pérdidas de 2 O:18 unidades de masa

53 ALCOOLES Los alcoholes primarios y secundarios suelen presentar un débil pico del ión molecular,los terciariosno lo suelen presentar. En cuanto a los procesos de fragmentación mas frecuentes suelen ser: la deshidratación (M-18) yla ruptura de un enlace en el carbono que soporta al grupo -O (dando lugar aiones del tipo: R 2 C + Oestabilizados por resonancia por el oxigeno: C 2 Ode (m/e 31) en el caso de los alcoholes primarios) (3ª Regla de la fragmentaciónsimple). Los alcoholes bencílicos suelen dan un intenso pico de ión molecular, pudiendo dar el M-1 (hidroxitropilio) y/o el M-18.

54 1-butanol Pérdida de agua (M - 2 O) + 3 C 2 C C C 2 M, m/z = 72 O 3 C 2 C C C 2 O 3 C 2 C - 2 O ó 3 C 2 C C C 2 C C 2 fragmentaciónen a [M- 2 O], m/z = 56 3 C 2 C 2 C C 2 3 C 2 C C 2 + C 2 2 C O m/z 31 catión hidroximetilo (+C 2 O) O O 2 C O 2-propenilo (m/z 41) ionpropilio (m/z 43) 3 C 3 C 2 C 2 C C C 2 C C 2 C C C C 2 2 C O C 2 O 2 m/z = C C C 2 3 C m/z = 43 m/z = 31 C C 2 C C 3

55 Éteres La fragmentación tiende a ocurrir en el enlace C-C alfa al átomo de oxígeno Ethyl methyl ether C 3 8 O MW = 60.10

56 ÉTERES Presentanpicosparecidosalos de los alcoholes. Los dos procesosde fragmentaciónmas frecuentessuelenser: -Rotura del enlace C-O quedando la carga sobre el radical alquílico (salvo en el caso de los aromáticos en que dicha carga suele quedar tanto sobre el anillo aromático como sobre el fenoxido). -Rotura del enlace C-COR, dando lugar a iones del tipo: R 2 C + OR estabilizados por resonancia por el oxigeno: C 2 OR (31,45,59,...).

57 Fragmentación del grupo carbonilo La fragmentación en α vuelve a predominar dando lugar al correspondiente catión acilio y a un radical alquilo. O fragmentación α O C R C fragmentación α R C O - R R R - R R C O R C O Catión acilio

58 Aldehídos M - 29 M -1 3-fenil-2-propenal C 9 8 O MW = La ruptura de los enlaces próximos al carbonilo resulta en la pérdida de (M-1) o de CO (M-29)

59 ALDEÍDOS Los alifáticospresentanpicos débiles de ión molecular. Suelen dar la ruptura del enlace en alfa respecto al grupo carbonilo: picos M-1 (característicode aldehídos)ym-29 (CO). Si poseen en gamma pueden dar transposición de McLafferty: m/e 44 (C 2 =CO) y M-44. (3ª y 4ª Reglas de la fragmentación simple). Los aromáticos presentan iones moleculares intensos y también intensos M-1, que suele dar la pérdida de CO para producir iones fenílicos.

60 Cetonas Los picos base surgen de la ruptura de los enlaces C-C adyacentes al carbonilo Ión molecular

61 CETONAS Su ión molecularsuele ser intenso. Se fragmentan de manera análoga alos aldehídos, predominando generalmente el ión acilo (RCO) resultado de la perdida del resto alquílicomás voluminoso. Las metil cetonas suelen presentarun pico base am/e 43 (C 3 CO). Cuando hay hidrógenos en gamma predominan los picos de la transposición de McLafferty pudiendo dar hasta 3 posibles transposiciones acabando con un pico a m/e 58 (C3CO=C2). Las aromáticas suelen presentar como pico base el ión benzoilo m/e 105.

62 EM de tres cetonas isómeras 2-pentanona 3-pentanona 3-metil-2-butanona

63 2-pentanona Metilcetona m/z 43 Pico base Dos picos procedentes de la fragmentación en α 3 C C 2 C 2 C C 3 O M, m/z = 86 C C 2 C 2 C C O m/z = 71 C 3 C 2 C C C O m/z = 43 Un fragmento adicional generado a partir de una transposición de Mc Lafferty 3 C O C 2 α γ C 2 β C 2 3 C O C 2 m/z = 58 + C 2 C 2

64 3-pentanona Aparece una única fragmentación en a debido a la simetría de la molécula El pico a m/z 29 se debe al ión C 3 -C 2 + que se genera a partir del catión C 3 C 2 CO + por pérdida de CO O C 3 C C 2 C 2 C 3 C 3 C C 2 C C O m/z = 57 M, m/z = 86 3 C 2 C C - CO O C 3 C 2 m/z = 29

65 3-metil-2-butanona Metilcetona m/z 43 Pico base Sólo aparecenlas dos fragmentacionesen α. 3 C O C C C 3 C 3 C 3 C + 3 C C O m/z = 43 C 3 C C C C O 3 C C C O M, m/z = 86 C 3 m/z = 71 C 3 - CO C 3 C C 3 m/z = 43

66 Ácidos carboxílicos En ácidos de cadena corta dominan los picos provenientes de : Pérdida de O (M -17) Pérdida de COO (M - 45)

67 ÁCIDOS Si es posible dan transposición de McLafferty, así en los alifáticos el pico base suele ser el de m/e 60 (C 2 =C(O) 2 ). Suelen presentar un pico a m/z 45 correspondiente a COO. En los aromáticos suele ser muy intenso el pico M-17 correspondiente al ión acilo. Para estudiarlos por masas suelen utilizarse sus esteres metílicos.

68 Esteres Rupturas próximas al enlace C=O ( grupos alcohoxi, -OR) y reordenamiento de

69 ÉSTERES Los ésteres metílicos suelen dar como iones fundamentales el ión acilo (RCO) y el carboximetilo (OCOC 3, m/z 59). Si es de cadena larga el producto de Transposición de McLafferty (m/z 74: C 3 CO=C 2 ). Los de etilo y superiores suelen dar el ión R-COO debido a la Transposición de McLafferty. Los ésteres de ácidos aromáticos suelen dar importantes iones acilo (ArCO) por perdida del radical alcoxilo y Transposiciones de McLafferty. Los bencílicos suelen dar un pico a M-42 por perdida de cetena (C 2 =C=O).

70 Aminas Los iones moleculares son generalmente impares En aminas alifáticas predominan las rupturas alfa

71 Aminas secundarias Los iones moleculares son generalmente impares El pico base proviene de la ruptura del enlace C-C adyacente al enlace C-N

72 AMINAS Las alifáticasno suelen presentar ión molecular. El pico más intenso suele corresponder a la perdida de un grupo alquilo en beta respecto al Nitrógeno (R 2 C=N + R' 2 ), que en el caso de las aminas primarias corresponde a m/z 30 (C 2 =N 2 ). Las aromáticas suelen dar un pico de ión molecular intenso que suele estar acompañado de un moderado M-1.

73 Amidas El pico base de las amidas se bebe al reordenamiento de McLafferty

74 Se suele observar el pico molecular. AMIDAS La presencia de un pico a m/z 44 (N 2 =C=O) es indicativo de amidas primarias. Suelen dar transposición de McLafferty.