Espectrometria de massa
As moléculas são ionizadas por acção de electrões
de alta energia (normalmente). A relação
massa/carga (m/e) dos iões produzidos é medida de
um modo muito preciso pela combinação da
aplicação de um campo magnético e eléctrico.
Permite:
• Determinação do peso molecular
• Composição atómica
• Identificação de blocos estruturais
(pela fragmentação observada)
1
Espectrometria de massa
Espectrómetro de massa básico
Volatilização
e ionização
das
moléculas
3 unidades básicas de
um espectrómetro de
massa
Separação
dos iões
Detector de
iões
(geralmente
catiões)
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Espectrómetro de massa básico
3 unidades básicas de
um espectrómetro de
massa
Detector de
iões
(geralmente
catiões)
Separação
dos iões
Volatilização
e ionização
das
moléculas
3
O que se detecta em MS?
•
Normalmente observam-se catiões resultantes da remoção de electrões
(partilhados ou não) da molécula
A
M
+ e
2e + M
Detectado
por MS
•
•
•
+
F
Detectados
por MS
C
+
Não observados por MS
F
O ião molecular M+ é um radical-catião instável que se degrada
normalmente com muita facilidade (por processos de fragmentação)
As espécies observadas por MS podem ser do tipo radical-catião ou
carbocatiões, dependendo da natureza do fragmento neutro
Se existirem electrões não partilhados na molécula, estes são os mais
facilmente removidos no processo de ionização para formar M+
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Exemplo de um espectro de massa
• O espectro de massa regista a intensidade dos iões que chegam
ao detector na forma de barras vs. m/e (massa ião/carga ião)
• A altura da barra reflete a “abundância” do ião (ou intensidade)
•
•
•
Ao pico mais intenso
(PICO BASE) é dada
uma abundância de
100%
A “abundância” dos
restantes iões é
calculada em função do
pico base
Os resultados são
listados em tabelas do
tipo m/e (ou m/z) vs.
intensidade
5
Interpretação básica de um espectro de massa
100%
O
IONIZAÇÃO
M+=114
O
FRAGMENTAÇÃO
O
m/e=43
M+
ião molecular
Normalmente o
5% ião mais pesado
presente no
espectro
Nem sempre o pico mais intenso é M+. M+ tem muitas vezes intensidades inferiores
a 5% do pico base como resultado da alta instabilidade dos iões gerados.
Os outros iões detectados resultam da fragmentação das moléculas do composto
inicial com formação de iões secundários. Informação estrutural pode ser retirada
da intensidade e de m/e destes iões.
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O ião molecular
A remoção de um electrão
da molécula produz um
radical-catião com peso
molecular idêntico ao da
molécula original e é
representado por M+ (ião
molecular)
Ignorando os iões detectados
devido à contribuição
isotópica, o ião molecular é
normalmente o pico de
massa mais elevada presente
no espectro.
A existência de isótopos dos diversos elementos faz com que uma parte da
moléculas apresente uma massa diferente do peso molecular. Por exemplo, 1
molécula com um átomo de deutério em vez de hidrogénio terá uma massa de M+1.
A intensidade destes picos depende da abundância natural dos diversos isótopos.
Massa e abundância de alguns isótopos
Elemento
(massa atómica)
Abundância natural (%)
(massa isotópica)
H (1,008)
99,98 1H
0,02 2H (D)
C (12,011)
98,9 12C
(12,000)
1,1 13C
(13,003)
Cl (35,453)
75,8 35Cl
(34,969)
24,2 37Cl
(36,966)
Br (79,904)
50,7 79Br
(78,918)
49,3 81Br
(80,916)
F (18,998)
100,0 19F
(18,998)
-
I (126,905)
100,0 127I
(126,905)
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M+ e isótopos
Os intensidade relativa de M+1+ e M+2+ relativamente a M+ pode ajudar à
determinação da fórmula molecular mas dá uma clara indicação da
presença de átomos de cloro ou de bromo numa molécula—devido à alta
abundância dos seus isótopos (37Cl 25% e 35Cl 75%; 79Br 49% e 81Br 51%).
Br
3:1
1:1
1 só bromo bromobezeno
1 sí cloreo
M[CH3CH2CH279Br]+=122 (~50%)
M[CH3CH2CH281Br]+=124 (~50%)
M[CH2CH35Cl]+=62 (75%)
M[CH2CH37Cl]+=64 (25%)
A presença de e M+ e M+2+ em intensidades elevadas indica a presença de cloro
ou bromo na molécula. A intensidade relativa [M+/(M+2)+] identifica o átomo.
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Regra do azoto
M+ é par
FM sem azotos ou com número par de azotos
M+ é impar
FM com número impar de azotos
PM(C6H10O)=98
H2N
PM(C5H13N)=87
NH2
PM(C6H8N2)=108
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Fragmentação molecular
• O padrão de fragmentação (iões e intensidade dos iões gerados
por degradação de M+) é característico de uma molécula e pode
servir para uma identificação.
• Os mecanismos de fragmentação estão compreendidos e o
padrão de fragmentação pode fornecer informação estrutural.
- m/e de picos com intensidade elevada pode ser relacionada
com fragmentos comuns (ex: m/e=43 → CH3CO presente)
• A fragmentação de M+ pode ocorrer por mais do que um modo
CH2
H2C
NH2
m/e=91 (15%)
Radical não carregado
(não observado)
NH2
CH2
H2C
M+=121 (muito pequeno)
NH2
m/e=30 (100%)
Radical não carregado
(não observado)
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Alguns
fragmentos
comuns
em MS
Fragmentações típicas
Três factores condicionam os processos de fragmentação preferenciais:
1) A clivagem de ligações fracas é preferencial
2) Os fragmentos mais estáveis são preferencialmente formados
Pentano
43
(M-CH2CH3)
Observam-se
iões resultantes
da quebra de
todas as
ligações C—C
(M-CH3)
CH2CH3
CH3
57
29
14
M
72
14
14
15
15
13
Hidrocarbonetos
Os iões registados são idênticos
ao pentano mas as intensidades
relativas são diferentes
(M-CH2CH3)
43
57
CH2CH3
29
(M-CH3)
m/e=57 e 43
com grande intensidade
(carbocatiões secundários)
M+
com menor intensidade
(a formação de carbocatiões
secundários é facilitada)
2-Metilbutano
M
CH3
72
15
57
m/e=57
com grande intensidade
(carbocatião terciário)
2,2-Dimetilpropano
M+ ainda com menor
intensidade
(a formação do carbocatião
terciário é ainda mais facilitada)
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Clivagem β em relação a um heteroátomo (ligação α/β)
R
α
R
X
X
R
X
+ β
β
X=O,N,S,Hal
Trietilamina
N
86
N
M
101
m/e
15
N-Etilpiperidina
N
N
98
M
113
16
2-Butanol
m/e=45
OH
OH
OH
H
-H2O
CLIVAGENS α/β
OH m/e=59
45
OH
OH
59
(M-H) M
73 74
m/e
17
Clivagem β em relação a duplas ligações e anéis aromáticos
α Rβ
R
β
+ R
α
Catião alílico
Clivagem da
ligação α-β
α
β
R
...
+
β
R
Catião benzílico
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Clivagem α em relação a um heteroátomo
R
α
R
O
O
+
R
R
2-Metoxi-2-metilpropano
(t-butilmetiléter)
73
O
O
58
M
88
m/e
19
Clivagem α em relação a grupos carbonilo
Este tipo de clivagem produz um catião acílio, estabilizado por ressonância
O
O
C
R
R= alquilo, OH ou -OR
A)
O
B)
B)
C
C
R
O
+
O
O
C
C
R
R
43
2-Butanona
O
CH3
A)
M
O
O
CH3
O
72
57
20
3-Pentanona
O
O
O
57
O
29
CH3CH2
M
86
m/e
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Propionato de etilo
29
CH3CH2
O
57
O
57 29
O
M
102
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Massa exacta – Espectrometria de massa de alta resolução
Consegue determinar o ião molecular com cinco casas decimais,
permitindo determinar a fórmula molecular. O valor observado é
comparado com diversas composições possíveis, utilizando
programas informáticos.
Ex:
O
M+=114
M+exacta=114,1039
A fórmula molecular do composto em análise será aquela que se afasta
menos do valor observado experimentalmente (no caso C7H14O).
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