aula análise orgânica - espectrometria de massas - parte 1 e 2
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23/05/2013
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ESPECTROMETRIA DE MASSAS
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Histórico da Espectrometria de Massas
1886 - Descobrimento dos íons positivos por Goldstein.1898 - Wien (Prêmio Nobel de 1911) analizou íons positivos por deflecção magnética.1901 - Kaufmann analisou raios catódicos usando campos eletromagnéticos paralelos.1911 - J. J. Thomson que descobriu duas massas diferentes do Neônio (20 e 22)1913 - Thomson também fez a primeira observação de dissociações de íons moleculares no curso da colisãode gases (CID)1918 - Dempster desenvolveu o primeiro espectrômetro de massas com setor magnético com formato de180o em direção ao foco1919 - Aston estudante de Thomson desenvolveu o primeiro espectrômetro comercial1930 - Conrad aplicou pela primeira vez espectrometria de massas em química orgânica. A primeira separaçãoisotópica foi feita por Smyle Rumbaugh e Westisotópica foi feita por Smyle, Rumbaugh e West1948 - Cameron descobriu a medida de tempo de voo de íons como princípio de análise (TOF)1953 - Paul (Prêmio Nobel de 1989) desenvolveu o analisador quadrupolar que usa campos elétricos para focalizar eseparar íons.1956 - Primeiro acoplamento de cromatografia gasosa com um espectrômetro de massas1966 - Munson e Field descobriram a ionização química1969 - Malcom Dole, idealizou pela primeira vez a ionização por “eletrospray”1973 - Cooks, desenvolveu o Tandem MS/MS ou espectrometria de massas sequencial de duplo estágio1978 - Yost e Enke desenvolveram Primeiro Triplo quadrupolo1979 - Comisarow e Marshall adaptaram um ano depois os métodos de transformada de Fourier à ICRMS econstruíram o FTMS1981 - Barber, desenvolveu o FAB1983 - Blakely, Desenvolvimento do “Termospray”1985 - Henkamp e Karas, desenvolveram a técnica de MALDI-MS1988 - Fenn desenvolveu o “Eletrospray” ligado ao espectrômetro de massas 2
A espectrometria de massa (EM) é uma técnica analíticainstrumental utilizada para a análise, em fase gasosa, deátomos ou moléculas de uma amostra que são ionizados eseparados de acordo com a razão massa/carga quandosubmetidos a condições específicas de um campo elétricoe/ou magnético.
É té i l t tili d l í iÉ uma técnica largamente utilizada pelos químicos naanálise de moléculas de diversas massas molares (μg-pg). Éuma técnica destrutiva.
A grande sensibilidade do método faz com que sejarotineiramente usado na análise de substâncias em baixaconcentração, como no caso do doping, controle dealimentos e medicamentos, contaminação ambiental, entremuitas outras aplicações. 3
Determinação da massa molecular;
Caracterização estrutural;
Estudo da reatividade em fase gasosa;
Análise qualitativa e quantitativa dos componentes de umai t lmistura complexa;
Estrutura de compostos inorgânicos, orgânicos e biológicos;
Estrutura e composição de superfície sólida;
A razão isotópica de átomos na amostra.
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Interdisciplinar
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Componentes do Espectrômetro de Massas
Espectro de Massas7 8
Introdução da amostra
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GC- Cromatografia gasosa(Compostos voláteis e termoestáveis)
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LC-MS
Lixo, PDAou coletorde frações
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amostra
feixe deelétrons
filamentomoléculas neutras,
fragmentos neutros eíons negativos
magneto
amostra
feixe deelétrons
filamentomoléculas neutras,
fragmentos neutros eíons negativos
magneto
Pode fornecer PM e FM das substâncias
moléculasneutras
magneto
tubo analisador
íons carregados positivamente(defletidos de acordo com m/z)
saída dos íons
coletor
registro
aceleradoresplaca de repulsão
moléculasneutras
magneto
tubo analisador
íons carregados positivamente(defletidos de acordo com m/z)
saída dos íons
coletor
registro
aceleradoresplaca de repulsão
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Etapas
Bombardeamento das moléculas por um feixe de elétrons de alta energia
Aceleração dos íons em um campo elétrico ou magnético e separação pelarazão massa/carga
Detecção dos íons com determinada razão massa/carga
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Ionização
Formação de íons positivos
Remoção de um elétron
M + e M+. + 2e
M+. (Íon molecular) é expressa por m/z.
Massa (m) e Carga (z)
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Tipos de analisadores
Deflexão em campo magnético (impacto de elétrons – EI)
Quadrupolo
Tempo de Voo (TOF)p ( )
Analisador Trap Iônico (ion trap)
EM/EM
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Tipo de analisador
Na técnica de impacto de elétrons (EI) – comumente a mais usada, as moléculasgaseificadas são bombardeadas com um feixe de elétrons (70 eV) de alta energia eaceleradas. Após a ionização, as espécies carregadas passam por um campomagnético, onde são defletidas de acordo com a razão massa/carga (m/z) para umtubo analisador e detectadas.
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Quadrupolo
1. Quatro bastões sujeitos a uma DDP (quadrupolo)2. Geração de um campo eletrostático oscilante3. Íons atravessam na direção Z4. Íons com certo m/z têm oscilação estável de amplitude constante (atingem o detector)
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TOF (Time of Flight)
Após ionizada, a amostra entra no tubo e a separação é feita baseado na diferençade velocidade entre as partículas.
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Compacto & robusto
Funcionamento similar ao quadrupolo
Capacidade de efetuar MS tandem temporal
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Informações do Espectro de Massas
Separação dos íons pela razão massa/carga
Pico do íon molecular
Pico do íon base (100%)Pico do íon base (100%)
Padrão de fragmentação
Razão isotópica
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Processos de Ionização
Nome e Sigla Agente ionizante
Fase Gasosa Impacto Eletrônico (EI)Ionização Química (CI)Ionização de Campo (FI)
Elétrons energéticosÍons gasososEletrodo alta voltagem
Dessorção Dessorção de Campo (FD)Ionização electrospray (ESI)Ionização/dessorção à laser assistido por matriz
Eletrodo alta voltagemAlto campo elétricoFeixe de laserIonização/dessorção à laser assistido por matriz
(MALD/I)Bombardeamento de átomos rápidos (FAB)Ionização termospray (TS)
Feixe de laser
Feixe átomos aceleradosAlta temperatura
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Teoria da Técnica
• Fonte de íonsConsiderações importantes
energia interna e as propriedades físico-químicas da amostra
Compostos voláteis Compatíveis com EIMS e CIMSe termicamente estáveis
Compostos não-voláteis
Fontes diretas líquida Fontes diretas sólida
Analito em solução Analito em um depósito não-volátil (Matriz)
ESIMS; TermosprayMS e APCIMS MALDIMS; PDMS; FDMS; SIMS e FABMS 22
Ionização à Pressão Atmosférica (API)
Ionização Electrospray (ESI)Ionização Química à Pressão Atmosférica (APCI)
Informação sobre a massa molecular (MM) das moléculas, inclusivegrandes biopolímeros.
Sensível; MM obtida com concentrações baixas de analitosSensível; MM obtida com concentrações baixas de analitos.
A técnica é compatível com moléculas voláteis, não voláteis, polares eapolares.
Excelente para confirmação de compostos conhecidos.
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Ionização por Electrospray (ESI)
Ionização à pressão atmosférica e temperatura ambiente
Aplicação de campo elétrico de vários kV promove a ionização dasgotículas do spray
Um contra fluxo de gás secante reduz o tamanho das gotículas até o seucolapso eletrostático
Produção de íons com elevado número cargas
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Ionização Química à Pressão Atmosférica (APCI)
Similar a ESI
Indicado para obtenção de MM de compostos conhecidos(confirmação de síntese de biblioteca combinatória), porém induçãode fragmentação também é possível
Compatível com grande faixa de fluxos de fase móvel
Robusto para desenvolvimento de método
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Principais Diferenças entre APCI e ESI
Devido ao uso de aquecimento, APCI pode produzir algumafragmentação, enquanto que ESI pode até formar alguns íonspseudomoleculares.
APCI não produz cargas múltiplas, portanto não é adequado paracompostos de alta MM.
APCI tende a render melhor sensibilidade para solutos menos polares.
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Dessorção/Ionização à Laser Assistida com Matriz (MALD/I)
Processo de ionização branda.
Apropriado para biomoléculas de elevado peso molecular.
Pulso de laser incide sobre uma amostra cocristalizada com uma matrizapropriada - derivados de ácidos benzóicos.
Análise proteômica.
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Impacto Eletrônico ou Ionização por Elétrons (EI)
A amostra passa por uma “cortina” de elétrons acelerados por um campo de 70 eV
E = 70 eV ≈ 7 × 103 kJmol-1
Energia de ligação típica ≈ 200 - 600 kJ mol-1Energia de ligação típica 200 600 kJ mol
Fragmentação
M(fase vapor)
feixe de elétrons(70 eV) M+ + 1 e
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Vantagens
Alta produção de íons - boa sensibilidade
Fragmentação auxilia na identificação
Desvantagens
Requer amostra volátil
Pico íon molecular nem sempre é evidente
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Íons moleculares se quebram em outros fragmentosmenores (cátions, radicais, moléculas neutras ou outroscátions radicais).
M
Prioridade de quebra ligações mais fracas e quegeram produtos mais estáveis.
C R N M2C R N M2
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Picos no EM:Picos no EM:
Pico do íon molecular (M+)
• Fornece a massa molecular.
• Nem sempre é observado usar ionização química (CI) nesses casos.
• Intensidade depende da estabilidade.
• Compostos que fornecem M+ mais intensos:aromáticos alcenos conjugados compostos cíclicos sulfetos orgânicos
alcanos lineares de cadeia curta tióis
• Compostos com M+ que podem ser observados:cetonas aminas ésteres éteres ácidos carboxílicos aldeídos amidas haletos
• Compostos com M+ que não são frequentemente observados:alcoóis alifáticos, nitritos, nitratos, nitrocompostos, nitrilas e compostos
muito ramificados. 32
Pico base
• Pico de maior intensidade abundância relativa de 100%. • Demais picos percentual do pico base.
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Ionização química (CI)
Gera um pico M+H intenso com pouca fragmentação.
Amostra vaporizada é introduzida no aparelho com excesso de gás reagente(geralmente o metano).
Pico [M + H]+ (íons pseudomoleculares) geralmente intensos porque são menosenergéticos e, consequentemente, ocorre menos fragmentação.
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Gás Reagente Íon Reagente Íon Analítico Observações
H2 H3+ [M+H]+ Produz fragmentação
significativa.
CH4 CH5+, C2H5
+ [M+H]+, [M+C2H5]+ Grau menor de fragmentação. Pode formar adutos.
NH3 NH4+ [M+H]+, [M+NH4]+ Ionização seletiva, NH3 NH4 [M H] , [M NH4] ç ,
pouca fragmentação e formação de adutos.
(CH3)3CH (CH3)3C+ [M+H]+, [M+(CH3)3C]+ Brando, protonação seletiva, pouca fragmentação.
CH3OH CH3OH2+ [M+H]+ Grau de fragmentação
observado entre o metano e o isobutano.CH3CN CH3CNH+ [M+H]+
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INTERPRETAÇÃO DE ESPECTROS DE MASSAS
Espectro de massas massa da molécula e de seus fragmentos;
Forma barra-gráfico eixo X indica a massa (m/z)eixo Y indica a intensidade relativa;
Apresentam picos adicionais devido ao ruído de fundo do instrumento (compostosque são dessorvidos das paredes do instrumento)
Interpretação é baseada na química de íons gasosos;
A massa e a abundância relativa do íon molecular indica o tamanho e aestabilidade da molécula;
O número de íons abundantes e sua distribuição na escala de massas sãoindicativos do tipo de molécula e dos grupos funcionais presentes.
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Íon Molecular
M+. - informação mais valiosa de um espectro de massa; sua massa e composiçãoelementar.
Para determinados tipos de moléculas, o íon molecular não é suficientemente estável paraser encontrado em quantidades apreciáveis no espectro por impacto de elétrons;
Deve ser o íon de maior massa no espectro;
Dever ser um íon com número ímpar de elétrons;
Deve ser capaz de gerar íons importantes na região de massa alta do espectro pela perdalógica de espécies neutras no espectro por IE, a amostra se ioniza pela perda de umelétron, deixando um elétron desemparelhado, e o íon molecular se torna uma espécieradicalar. Tal íon, molecular ou fragmento, com um elétron desemparelhado édenominado OE e é representado pelo símbolo +.
Facilidade de ionização destes elétrons se encontra na ordem n > π > σ
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Regra do elétron par: Íons contendo somente elétrons emparelhados (EE+) sãogeralmente mais estáveis e consequentemente são fragmentos mais abundantes nosespectros de IE.
Cátion radical elétron ímpar, desemparelhadoCátion elétron par
Molécula neutra elétron par
Abundância do íon molecular X estrutura:
[M+.] - depende da sua estabilidade ;[M+.] - é um indício da estrutura molecular;[M+.] - usualmente aumenta com o aumento de insaturações e número de anéis;[M+.] - usualmente diminui com o aumento do tamanho da cadeia de umaestrutura;[M+.] - diminui com as ramificações
Em geral, a estabilidade da molécula se assemelha a estabilidade do íon M+., e érefletido na abundância do M+. .
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Apresentação do Espectro
• O espectro de massas é apresentado na forma de um gráfico que ilustra a abundância relativa de íons de massa m/z.
• O íon mais abundante formado durante o processo de ionização dá origem aopico mais abundante – o pico base do espectro
Pico base, m/z 43
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• As intensidades de todos os outros picos do espectro são indicadas comoporcentagem do pico base.
• Se a molécula da amostra perde somente um elétron durante o processo de ionização, observa-se o pico do íon molecular no espectro - M+
M+, m/z 114
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• Quando a molécula da amostra perde um elétron de valência adquire umaenergia muito alta, suficiente para que ocorram quebras de ligações, dandoorigem a moléculas menores – íons fragmento.
• Assim, o espectro de massas indica a presença do pico do íon molecular (quando este aparece) e dos picos dos íons fragmento carregados – fragmentosneutros não são registrados !
Íons fragmento
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Estabelecimento da massa molecular
1. Quando o pico do íon molecular M+. é observado, este indica a massa molecular– desde que todos os outros átomos da molécula apresentem suas formasisotópicas mais abundantes
2. IMPORTANTE: o átomo de carbono (C) é uma mistura de isótopos 98.9%12C (massa 12), 1.1% 13C (massa 13) e <0.1% 14C (massa 14)
3 N b l iódi i di d á d b i di édi3. Na tabela periódica, a massa indicada para o átomo de carbono indica a médiaponderada da massa do carbono levando em conta todos seus isótopos
4. Assim, o espectrômetro de massas irá indicar o pico de íon molecular M+. comoaquele constituído somente por átomos de 12C, e um pico de íon molecular (M +1) de intensidade nC x 1.1%
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ElementoElemento Abundância NaturalAbundância NaturalM M + 1 M + 2 M + 4
Carbono12C
98,89%
13C 1,11%
Hidrogênio1H
99,99%
2H0,01%
Nitrogênio14N
99,64%
15N0,36%
Oxigênio16O 17O 18O
Oxigênio99,76% 0,04% 0,20%
Enxofre32S
95,0%
33S0,76%
34S4,22%
36S 0,02%
Flúor19F
100%
Cloro35Cl
75,77%
37Cl24,23%
Bromo79Br
50,69%
81Br49,31%
Iodo127I
100%43
• Algumas moléculas são bastante “frágeis”, e seus picos de íon molecular M+.
não são observados, pois se fragmentam rapidamente em extensão muito alta –para confirmar a presença do íon molecular pode-se diminuir a voltagem do feixe de elétrons (se a ionização é feita por impacto de elétrons)
• Observa-se três características para o pico do íon molecular:
1) Este deve ser o pico de maior massa do espectro – a não ser que existamimpurezas presentesimpurezas presentes
2) O íon deve apresentar um número ímpar de elétrons – cátion radical (M+.)
3) O íon molecular forma íons-fragmento observando regras básicas de fragmentação.
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• A Regra do Nitrogênio é outra maneira de se confirmar a presença doíon molecular.
• Se a molécula da amostra apresenta um número ímpar de átomos denitrogênio, deve necessariamente apresentar massa ímpar (pois onúmero de valência do N é ímpar)
• Se a molécula da amostra apresenta um número par de átomos denitrogênio, ou não tem átomos de nitrogênio em sua estrutura, suamassa deve necessariamente ser par.
• Se a molécula apresenta átomos de cloro ou de bromo em sua estrutura,irá apresentar picos de íon molecular característicos, uma vez que clorotem dois isótopos (35Cl e 37Cl) e o átomo de bromo também (79Br e81Br).
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Índice de Deficiência de Hidrogênio (IDH)
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Espectrometria de massas de alta resolução (HRMS)
1. Se o aparelho no qual se obtém o espectro apresenta boa resolução (R > 5000),os números de massas podem ser obtidos com alta precisão (6 a 8 casadecimais)
2. Utilizando-se tabelas de massas exatas de todas as fórmulas possíveis, épossível se comparar a massa exata de um determinado íon, medido noaparelho, com a massas exata de um íon com uma composição isotópicaprecisa.
Exemplo: A medida de HRMS indica uma massa exata de 98.0372; para íons demassa 98:
C3H6N4 98.0594
C4H4NO2 98.0242
C4H6N2O 98.0480
C4H8N3 98.0719
C5H6O2 98.0368 fórmula de massa exata mais
C5H8NO 98.0606 próxima
C5H10N2 98.0845
C7H14 98.109647
O espectro de massas e análise estrutural
Razões isotópicas
1. Se o pico do íon molecular M+. pode ser observado com intensidade suficiente, pode ser obtida a fórmula molecular da molécula da amostra
2. Por exemplo, o etano C2H6 – no seu espectro de massas (EM) será observado o íon M+. em m/z 30:
(2 x 12C) + (6 x 1H) = 30
• Todavia, 1,10% de todo os carbono da natureza é 13C – logo, haverátambém 13C na molécula do etano natural (2 x 1,1% ou 2,2%)
• Logo, no espectro de massas do etano será também observado um pico emm/z 31 de intensidade 2,2% da intensidade do pico do íon molecular M+. -denominado pico M+1
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• Também existem 6 átomos de hidrogênio na molécula do etano, sendo que0.016% de todo o hidrogênio da natureza é deutério (2H). Logo, no etanohaverá 6 x 0.016% = 0.096% de deutério.
• Considerando a presença de 13C e de 2H, a intensidade do pico do íonmolecular +1 (M + 1) será (0.096% + 2.16% = 2.26%)
• Porém a probabilidade de uma mesma molécula de etano apresentar dois• Porém, a probabilidade de uma mesma molécula de etano apresentar doisátomos de 13C é muito pequena – (1.08% x 1.08%)/100 = 0.01% -negligenciável, mas se o pico do íon molecular for grande, será observadoo M+2.
3. Todavia, se a molécula apresentar outros átomos (O, N, S, Cl, Br), a ocorrênciados isótopos naturais destes átomos irá alterar consideravelmente a contribuiçãodos intensidades dos picos M+1 e M+2 para o “conjunto de íons moleculares”
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5. Para moléculas muito grandes, M+1, M+2, M+3… são significativos
Se o número de átomos de carbono em uma molécula for maior que 100, a probabilidade de ter átomos de 13C é: 100 x 1.10% = 110%!
Nestes casos, os picos dos íons M+2, 3, … são cada vez mais intensos
Pico de íon molecular de um peptídeo contendo 96 C – o pico M+1 é quase tão intensoquanto M+.
M+
M+1
M+2
M+3
50
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Por exemplo, o pico do íon molecular da insulina (257 átomos de C):
M lé l
Este pico indica que cada molécula de insulina contém pelo menos 3 átomos de 13C
Moléculas somente com 12C são raras
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6. Para moléculas com átomos de Cl ou Br, os picos dos isótopos sãocaracterísticos:
a) Para ambos Cl e Br, o isótopo M+2 é dominante sobre M+1:
35Cl correponde a 75.77% e 37Cl a 24.23% de todos os átomos de Clda natureza
79Br corresponde a 50.52% e 81Br a 49.48% de todos os átomos de Clda natureza
b) S lé l é ú i á d Cl ê i d i db) Se uma molécula contém um único átomo de Cl, a aparência do pico doíon molecular será:
m/e
rela
tive
ab
un
dan
ce
M+
M+2
O pico M+2 terá abundância relativa de 24% do pico M+
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c) Se uma molécula contém um único átomo de Br, a aparência do pico do íon molecular será:
ativ
e ab
un
dan
ce
M+ M+2
Os picos M+ e M+2 apresentarão praticamente a mesma intensidade
• A presença de mais átomos de Cl e Br determinará o “formato” do “cluster” de íon molecular.
6. Compostos com enxofre fornecem picos M+2 de 4% de intensidade relativa do M+., e silício 3%
m/e
rela
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ElementoElemento Abundância NaturalAbundância NaturalM M + 1 M + 2
Cloro35Cl
75,77%
37Cl24,23%
Bromo79Br
50,69%
81Br49,31%
% (M+2)
% (M+4)
% (M+6)
Br 97,7Br2 195,0 95,5Br3 293,0 286,0 93,4Cl 32,6Cl2 65,3 10,6Cl3 97,8 31,9 3,47
BrCl 130,0 31,9Br2Cl 228,0 159,0 31,2BrCl2 163,0 74,4 10,4
M = 100%
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Binômio de Newton (a + b)m
a = abundância relativa do isótopo mais leveb = abundância relativa do isótopo mais pesadom = nº de átomos do elemento presente na molécula
Dicloro derivados:
35Cl (100%) 3 (a + b)2 = 32 + 2(3)(1) + 12Cl (100%) 3 (a + b) = 3 + 2(3)(1) + 137Cl (32,6%) 1 9:6:1 = 100:67:11
Dibromo derivados:
79Br (100%) 1 (a + b)2 = 12 + 2(1)(1) + 12
81Br (97,7%) 1 1:2:1 = 100:200:100
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Fragmentação
A colisão de um elétron com alta energia com as moléculas da amostra provoca não somente aperda de um elétron, mas também transfere momento (energia cinética) para o íon que se forma.
A energia transferida aumenta significativamente a energia vibracional das ligações, levando àquebra destas e formando fragmentos.
O tempo entre a ionização e a detecção é da ordem de 10-5 seg.
Logo,
Se uma molécula permanece intacta entre a ionização e a sua detecção, ou seja, por um períodomaior que 10-5 seg., será observado o seu pico M+.
Se uma molécula sofre quebra de ligações muito mais rápido, o íon molecular será muito menosintenso (podendo não surgir), levando apenas à formação de fragmentos.
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4. Devido à baixíssima concentração de moléculas da amostra na câmara deionização, todos os processos de fragmentação são unimoleculares.
5. A fragmentação de moléculas que tem deficiência de 1 elétron (M+.)resulta na quebra homolítica de ligações um fragmento será um cátion eo outro será um radical.
6. Somente íons carregados positivamente são observados; a perda defragmentos neutros é inferida pela massa dos íons fragmentoformadosformados.
7. Os processos de fragmentação seguem reações que levam a espécies asmais estáveis possíveis do ponto de vista termodinâmico reaçõesorgânicas
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Representação do íon molecular: carga deslocalizada ou localizada.
ou ou
R OR' ou R O
R'
R Br ou R Br
As fragmentações podem ser homolíticas ou heterolíticas.
R Br
R OR' R +
OR'
R + Br
(homolítica)
(heterolítica)
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RREGRASEGRAS GGERAISERAIS DEDE PPREVISÃOREVISÃO DOSDOS PPICOSICOS MAISMAIS IINTENSOSNTENSOS
DEDE UMUM EM EM PORPOR IEIE
•M+ mais intenso em compostos de cadeia linear
ramificação intensidade
•Intensidade de M+ com o aumento do PM (série homóloga)
•Carbono ramificado processo de quebra favorecido
ramificado provável é a quebra (estabilidade dos carbocátions)
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Clivagem de ligações :
a. Clivagem C-C
C C C C+
b. Clivagem C-heteroátomo
C Z C Z+
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Clivagem de ligações :
c. Clivagem- de C-heteroátomo
C C Z C C Z+
C C Z C C Z+
C C Z C Z+ C
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•Ligações duplas, estruturas cíclicas e, especialmente, anéis aromáticos estabilizam o M+
•Ligações duplas quebra alílica (carbocátion estabilizado por ressonância)
•Anéis saturados perdem a cadeia lateral, na ligação , como radicais
•Anéis insaturados sofrem retro-Diels-Alder
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Eliminação de H vicinal e de heteroátomo:
Clivagem das ligações C–C próximas a heteroátomos carga no fragmento quecontém o heteroátomo (estabilização por resonância).
C C Z Z+ HH
C C
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Rearranjos e clivagens- de duas ligações :
Rearranjo de McLafferty
Outros tipos de fragmentação são menos comuns mas podem ocorrer em casos maisOutros tipos de fragmentação são menos comuns, mas podem ocorrer em casos mais
específicos
Incluem: fragmentações a partir de rearranjos, migrações de átomos ou grupos, e
fragmentações de fragmentos.
As quebras estão relacionadas à eliminação de moléculas pequenas, neutras e
estáveis, muitas vezes por rearranjo (Ex: CO, H2O, NH3, H2S, HCN, ROH)
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•Alquilbenzenos quebra da ligação (estabilização por ressonância)
• Quebra simples (sem rearranjo)M+ de m/z par íon de m/z ímparM+ de m/z ímpar íon de m/z par• Quebra simples (com rearranjo de 1 H)M+ de m/z par íon de m/z parM+ de m/z ímpar íon de m/z ímpar• Regra do nitrogênioM+ de m/z par número par de N (0, 2, 4, ...)M+ de m/z ímpar número ímpar de N (1, 3, 5, ...)
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Atenção para os seguintes pontos:
– A regra do número de elétrons : “a termodinâmica dos processos defragmentação indica que um fragmento com número de elétrons par nãopode se fragmentar em fragmentos com número de elétrons ímpar.”
– Perdas de massa de 14 (CH2) são raras (mas ocorrem!)
– A ordem de estabilidade dos carbocátions/radicais é sempre
benzílico/3° > alílico/2° > 1° > metila > H
* A perda da cadeia de carbono maior será preferencial
– A estabilidade do íon (cátion) será predominante sobre a estabilidadedo radical
68
Alil > 3º > 2º > 1º > vinil69
1. Alcanos
a) Previsível – considerar estabilidade dos carbocátions (e radicais) parapredizer a fragmentação esperada
b) Fragmentação C-C.
c) Governada pela Regra de Stevenson – o fragmento mais estável (de menorenergia) ficará carregado positivamente (cátion) – o fragmentoenergia) ficará carregado positivamente (cátion) o fragmentoremanescente ficará na forma de radical. Exemplo: isobutano
70
Íons fragmento : alcanos
• O íon molecular M+ é sempre observado para alcanos lineares
• Íons observados: agregados de picos CnH2n+1 bem como perdas de
-CH3, -C2H5, -C3H7, etc.
• Fragmentos radicalares: ·CH3, ·C2H5, ·C3H7, etc.
• Em cadeias lineares, frequentemente os picos em m/z 43 e 57 são osmais intensos.
71
Exemplo: n-heptano
43
M+.
57
72
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13
Íons fragmento : alcanos ramificados
• Quando existir a possibilidade da formação de carbocátions 2° e 3°, a molécula será muito suscetível à fragmentação.
• Enquanto que em alcanos lineares a formação de carbocátions 1° é sempre observada, em alcanos ramificados estes sinais diminuem de intensidade.
• Sinais de íons moleculares M+ tendem a diminuir ou até mesmo a desaparecer em alcanos ramificados grandes.
• Sinais em m/z 43 e 57 continuam sendo os mais comuns, uma vez queestes se referem aos íons iso-propílico e tert-butílico.
73
Exemplo: 2,2-dimetilhexano
5757
74
Íons fragmento: cicloalcanos
• Normalmente observa-se picos de íons moleculares intensos
• A clivagem de duas ligações levando à formação do fragmentoneutro eteno (C2H4) é comumente observada – Perda de 28
• Cadeias ligadas ao(s) sistema(s) cíclico(s) sofrem fragmentaçãofacilmente.
75
Ciclohexano
+
M+. 84
M - 28 = 56
76
4-metilisopropilciclohexano
M+. 140
97
77
2. Alcenos
a) Íons moleculares M+. frequentemente observados
b) Após a ionização as duplas podem sofrer migração – a determinação de isômeros é muito difícil
c) Íons observados: agregados de picos CnH2n-1 além de -C3H5, -C4H7, -C5H9
etc em 41 55 69 etcetc. em 41, 55, 69, etc.
d) Alcenos terminais sempre se fragmentam dando origem ao cátion alila, m/z 41
RH2C +RC
HCH2 H2C C
HCH2
78
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14
cis-2-penteno
55
M+ 70
55
79
1-hexeno
4156
M+ 84
41
80
1-penteno
M+. 70
81
Alcanos vs. Alcenos
Octano (75 eV)M+ 114 m/z 85, 71, 57, 43 (base), 29
Octeno (75 eV)M+ 112 (+intenso à 75eV do que o octano) m/z 83, 69, 55, 41, 29
82
Íons fragmento : cicloalcenos
• Íons moleculares são intensos e frequentemente observados
• Fragmentação via retro Diels-Alder
Observado Perda de 28 uma
• Cadeias ligadas ao anel – fragmentação intensa
83
1-metil-1-ciclohexeno
81
M+. 9668
84
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15
3. Alcinos
a) Íons moleculares frequentemente observados
b) Para alcenos terminais, a perda do hidrogênio terminal é frequentementeobservada (M-1) – este é tão intenso que muitas vezes constitui o pico base do espectro, e pode até suprimir a presença do íon molecular M+.
c) Alcinos terminais formam o cátion propargila m/z 39 (menos intenso quec) Alcinos terminais formam o cátion propargila, m/z 39 (menos intenso queo cátion alila)
RH2C +RC CH H2C C CH
85
1-pentino
H
67H
M+ 68
39
86
2-pentino
53
M+ 68
87
4. Hidrocarbonetos aromáticos
a) Observa-se picos de íon molecular intensos e muito pouca fragmentaçãodo sistema aromático
75 eV e-
b) Anés aromáticos substituídos por grupos alquila sofrem fragmentação de maneira a fornecer o cátion tropílio C7H7
+ (m/z 91), formado a partir do rearranjo do cátion benzílio
CH2CH3
88
p-xileno
M+. 106CH3CH3
m/z 91
M 106H3C
89
Butilbenzeno (rearranjo de McLafferty)
H H
+
M+. 134
92
91
90
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16
5. Alcoóis
a) Por sofrerem diferentes tipos de fragmentação, os íons moleculares de alcoóis são, em geral, menos intensos do que os de alcanos
b) Alcoóis 1os e 2os apresentam M+ pequenos; alcoóis 3os não apresentam íonsM+ - H2O
b) Normalmente o grupo alquila de maior tamanho é o primeiro fragmentoformado; o modo de fragmentação é típico:formado; o modo de fragmentação é típico:
primários
secundários
terciários
OHH2C
O H+
O H+
OH O H+
OH
m/z
31
59
45
91
c) Desidratação (M - 18) é a mais comum – a desidratação ocorre com maior frequência em alcoóis com cadeia > 4 carbonos
• Eliminação-1,2 – mais comum
• Eliminação-1,4 – menos comum
• Ambas dão origem ao íon M - 18, cuja fragmentação subsequenteobedeçe à dos alcenosobedeçe à dos alcenos
d) Para alcoóis de cadeia longa observa-se fragmentação via rearranjo de McLafferty, que produz água e etileno (M - 18, M - 28)
OHR H O
HR
H
+
92
e) A perda de hidrogênio não é favorecida (M – 1)
f) Álcoois cíclicos apresentam fragmentação similar
• clivagem-
• desidratação
m/z 57
M - 18
93
1-pentanol
OHH OH
H
+
42
M+ 88
-H2O70
OH
31
42
94
2-pentanol
OH
45
M+ 88
45
95
2-metil-2-pentanol
OH
59
M+ 102
87OH
96
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17
Ciclopentanol
OHH OHH
+
M+ 86
57
97
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