Espectrometría de Masas
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Unidad IV: Espectrometra de Masas
Qumica Orgnica III
Primer Semestre 2015
Facultad de CC.QQ. Y Farmacia USAC
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Identificacin de un compuesto Orgnico
Determinacin de Propiedades Fsicas
Apariencia
Olor
Punto de fusin
Punto de ebullicin
Densidad
Rotacin especfica
ndice de Refraccin
Determinacin de su frmula emprica
Fusin con sodio para detectar N, S y X
Clculo de la frmula emprica mediante el anlisis por combustin.
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Identificacin de un compuesto orgnico
UV-Vis
Transiciones electrnicas en orbitales de valencia.
Sistemas conjugados (dienos, polienos y carbonilos ,-insaturados).
Muy til en cuantificacin
IR
Estiramientos y flexiones de enlaces.
Deteccin de grupos funcionales.
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Espectrometra de Masas
A diferencia de las tcnicas vistas con anterioridad, en esta no hay interaccin de la radiacin electromagntica con la molcula.
Esta tcnica se emplea para la determinacin de la composicin de la muestra y la elucidacin estructural de la misma.
Es una tcnica destructiva, pero como se trabaja con muy pequeas cantidades de muestra, esto no representa un inconveniente.
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Qu informacin nos brinda?
Masa molecular
Frmula molecular
Estructura (patrones caractersticos de fragmentacin)
Distribucin de istopos
http://www.sciencemag.org/site/products/lst_20060901.xhtml
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En qu consiste un Espectrmetro de Masas?
http://www.youtube.com/watch?v=J-wao0O0_qM
10-5-10-8 Torr
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Qu es un espectro de masas? Los resultados obtenidos del Espectrmetro de Masas se presentan como un grfico de barras que tabula % de abundancia relativa versus la relacin masa/carga (m/z) de los iones detectados.
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Iones? Cules iones? El espectrmetro de masas separa y detecta iones
positivos (cationes), que deben producirse a partir de la muestra original por cualquiera de los siguientes mtodos:
Impacto electrnico EI 1920
Ionizacin qumica CI 1965
Ionizacin de campo FI 1970
Bombardeo con tomos rpidos FAB 1981
Ionizacin por termoevaporacin ESI 1985
Desorcin/ionizacin laser asistida MALDI-TOF (para pptidos y protenas)
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Ionizacin por impacto electrnico
70 ev equivalen a 1600 kcal y solo se necesitan 60 kcal para romper un enlace
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M+
(M-R2)+
(M-R3)+
Mass Spectrum (M-R1)+
e- + H C
H
H
C
H
H
H
H C
H
H
C
H
H
H
H C
H
H
C
H
H
+ H
H C
H
H
C
H
H
H
+
Este es un catin radical, se le conoce como ion (o pico) padre y representa el peso molecular de la muestra. Se representa como M.+
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Ventajas y desventajas
Ionizacin dura : se producen fragmentaciones nicas y reproducibles, formando una coleccin de fragmentos.
Existen bibliotecas de estndares y se puede predecir el patrn de fragmentacin a partir de la estructura y viceversa.
Algunas molculas formarn iones M.+ muy inestables que se fragmentarn tan rpido que no sern detectables.
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Tipos de analizadores de masas
Analizador de sector magntico
Analizador de tiempo de vuelo
Analizador de cuadrupolo
Ciclotrn de iones FT
El analizador de masas determinar la resolucin del espectrmetro de masas.
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Analizadores
Operan a elevado vaco.
Realmente miden la relacin masa/carga (m/z) de los iones, pero la mayora de iones producidos tienen carga +1.
Las especificaciones clave son: resolucin, sensibilidad y precisin en la medicin de masa.
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Mejor resolucin mayor precisin
0
2000
4000
6000
8000
Co
un
ts
2840 2845 2850 2855
Mass (m/z)
Resolution = 14200
Resolution = 4500
Resolution =18100 Error 15 ppm
Error 24 ppm
Error 55 ppm
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Analizador magntico
-
Analizador magntico
Puede utilizar un imn permanente o bien un electroimn.
El ngulo de la trayectoria de vuelo puede ser de 180, 90 o 60.
E= zeV = mv2 donde E es energa cintica, z es la carga del ion, e= 1.6E-19, m es la masa del ion y v es la velocidad. Si se supone que todos los iones de igual z tienen la misma energa cintica, los mas pesados viajarn a velocidades menores.
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Analizador magntico
La trayectoria de los iones de una masa y carga dadas, ser un balance de las dos fuerzas que actan sobre ellos: fuerza magntica (Fm= Bzev) y la fuerza centrpeta (Fc= (mv)/r)
Para que un ion atraviese la trayectoria circular del analizador hacia el detector es necesario que Fm=Fc; entonces
m/z = (B2r2e)/2V
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Analizador magntico
En resumen, al variar el voltaje o el campo magntico del analizador, es posible separar los iones ya que cada uno tendr un radio de curvatura en su trayectoria en funcin de su valor m/z.
Generalmente el analizador magntico ms empleado es un analizador de doble enfoque, que mejora grandemente la resolucin.
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Ventajas del analizador magntico
Espectros clsicos.
Gran reproducibilidad de resultados.
El mejor desempeo cuantitativo de todos los analizadores.
Alta resolucin.
Alta sensibilidad.
Rango de masa: 10,000.
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Analizador magntico
Desventajas Operador altamente
calificado.
Ms grande y ms caro que los otros.
Baja resolucin MS/MS sin analizadores mltiples
Aplicaciones Todos los mtodos de
anlisis para sustancias orgnicas.
Medidas de masa exactas.
Mide la relacin de istopos.
Puede aplicarse a cuantificacin.
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Espectro de masas del etanol
Pico base
Ion molecular Pico padre
M-1
M-15
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Clculo de frmula molecular: regla del 13
Basados en la presuncin de que en la mayora de compuestos orgnicos estar presente la unidad CnHn, que tiene una masa de 13 cuando n=1, podemos calcular posibles frmulas moleculares para nuestro compuesto.
Supongamos que se obtiene un ion molecular a m/z 106, lo dividimos entre 13 y obtenemos 8.15.
Usamos solamente el nmero entero, 8, que nos dar el nmero de carbonos en nuestra frmula.
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Clculo de frmula molecular: regla del 13
13 x 8 = 104, entonces, si nuestra masa era 106 nos qued un residuo de 2 al dividir 106 entre 13.
Para determinar el nmero de hidrgenos en nuestra frmula: nmero de carbonos + residuo
Entonces 8 + 2= 10 y nuestra frmula tentativa ser C8H10.
Al calcular el IDH de la frmula obtenemos 4, que es un nmero entero, as que nuestra frmula es factible para un compuesto real.
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Y si hay heterotomos?
Si se conoce cul es el heterotomo presente, se resta su masa de la del ion molecular, y se sigue el procedimiento anterior.
Para cada CH hay heterotomos equivalentes, que se muestran en la diapositiva siguiente, y que pueden considerarse cuando se va a proponer una frmula molecular sin conocer previamente un anlisis elemental cualitativo.
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Element CH
Equivalent
Element CH
Equivalent
1H12 C31P C2H7
16O CH432S C2H8
14N CH216O32S C4
16O14N C2H635Cl C2H11
19F CH779Br C6H7
28Si C2H4127I C10H7
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Regla del 13
Entonces, nuestras posibles frmulas para un compuesto con masa 106 pueden ser:
C8H10 IDH 4
C7H6O IDH 5
C7H8N IDH 4.5 (no es factible)
C2H3Br IDH 1
En todos los casos en que IDH es un nmero entero, se trata de frmulas factibles.
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Istopos
La mayora de elementos ocurren de forma natural como una mezcla de istopos.
La presencia (significativa) de istopos ms pesados produce la aparicin de picos con una masa superior a M.+
M+1 es un ion con una uma ms que el ion molecular
M+2 es un ion con dos uma ms que el ion molecular.
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Abundancia relativa de istopos
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Iodo: monoisotpico, pico importante a m/z 127 que corresponde a I+
Gran espacio
I+
M+
ICH2CN
Elementos fcilmente reconocibles en EM
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2-bromopropano
M+ ~ M+2
Bromo: M+ ~ M+2 (50.5% 79Br/49.5% 81Br)
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Cloro: M+2 es ~ 1/3 de M+
Cl
M+2
M+
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Y si hay ms de un halgeno presente?
Halogen M M + 2 M + 4 M + 6
Br 100 97.7
Br2 100 195.0 95.4
Br3 100 293.0 286.0 93.4
Cl 100 32.6
Cl2 100 65.3 10.6
Cl3 100 97.8 31.9 3.47
BrCl 100 130.0 31.9
Br2Cl 100 228.0 159.0 31.2
Cl2Br 100 163.0 74.4 10.4
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Br
Br
MW = 234
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Azufre:M+2 ms grande que lo usual (4% de M+)
M+
M+2 inusualmente grande
S
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Nitrgeno: masa molecular impar = nmero impar de tomos de N
M+ = 41
CH3CN
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Cuando se observa un M+. con masa impar, se asume que hay un nmero impar de tomos de nitrgeno. Por ejemplo, para M+. = 121 son posibles las siguientes frmulas moleculares: 121/13 = 9, R = 4 C9H13; IDH = 3.5 as que no puede ser M
+.
Recordar que O = CH4; N = CH2, entonces al recalcular C9H13 CH2 + N = C8H11N; IDH = 4, la frmula es factible
C9H13 2(CH2) + 2N = C7H9N2; IDH = 4.5 NO es factible
C9H13 3(CH2) + 3N = C6H7N3; IDH = 5, la frmula es factible
C9H13 (CH2) (CH4) + N + O = C7H7NO IDH = 5, frmula factible
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Espectros de alta resolucin
Un espectrmetro de masas de baja resolucin, no proporcionar suficiente informacin como para distinguir de forma precisa la frmula de un compuesto:
C3H8O = (3 x 12) + (8 x 1) + 16 = 60
C2H8N2 = (2 x 12) + (8 x 1) + (2 x 14) = 60
C2H4O2 = (2 x 12) + (4 x 1) + (2 x 16) = 60
CH4N2O = 12 + (4 x 1) + (2 x 14) + 16 = 60
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Espectros de alta resolucin
En un espectrmetro de alta resolucin, se pueden medir las masas precisas de los elementos: C3H8O = 60.05754
C2H8N2 = 60.06884
C2H4O2 = 60.02112
CH4N2O = 60.03242
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Patrones de fragmentacin
El impacto de la corriente de electrones, adems de producir el ion molecular (radical catin), provoca fragmentaciones de la molcula, comnmente un catin y un radical. Puede formarse tambin un catin y una molcula neutra pequea, generalmente mediante reordenamientos.
Los enlaces se rompern para producir el catin ms estable.
La estabilidad del radical es menos importante que la estabilidad del catin.
Los fragmentos pueden reordenarse si de esta manera, aumentan su estabilidad.
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CH3-CH2-O-H
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Patrones de fragmentacin
Rupturas homolticas en alfa; compuestos con:
Heterotomos con enlaces sencillos:
Heterotomos con enlaces mltiples:
R' CR2 Y R'' R' + CR2 YR''
+ +
R' CR2 Y R' + CR2 Y
+ +
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Patrones de Fragmentacin
R +
R CH2 CH CH2- e
R CH2 CH CH2
CH3 CH CH2 CH2 CH CH3
Compuestos con enlaces mltiples carbono-carbono
Ruptura homoltica en alfa
+
-
Patrones de fragmentacin
Ruptura heteroltica en alfa (fragmentacin i)
R'R OH
iR + OR
CR
R'
Oi
R + R' C O
-
La ruptura homoltica y la heteroltica son competitivas entre s
Tendencia de ruptura homoltica :
N > S,O, enlace , R > Cl > Br > I
Tendencia de ruptura heteroltica i:
Halgeno > O, S >> N,C
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Ejemplos
R CH
R'
OH R + CHR' OH
R C
O
NH CH2 R' R C
O
NH CH3 + R'
R C
O
NH CH2 R' R C NH CH2 R+ O
R RR' +S+
SR'
Ruptura
Ruptura i
-
Patrones de fragmentacin
CH3+ < RCH2
+ < R2CH+ < R3C
+ < CH2=CH-CH2+ < C6H5-CH2
+
Carbocatin ms estable = fragmentacin ms fcil
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Patrones de fragmentacin
Fragmentaciones que involucran dos enlaces
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Reordenamientos
Reordenamiento McLafferty
Retro Diels-Alder
CH2
CH2
CH2
CH2+
+ . + .
+ . ZH
Z R
CH2
CH2
Z
H
Z R
+ .
-
Reglas de fragmentacin
La intensidad de M.+ es mayor para compuestos lineales que para ramificados.
La intensidad de M.+ disminuye al aumentar el peso molecular (los cidos grasos son una excepcin)
La fragmentacin se da en el punto de ramificacin, reflejando la estabilidad del carbocatin.
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Reglas de fragmentacin
Anillos aromticos, ciclos y dobles enlaces estabilizan M.+
Un alqueno se fragmentar para producir un carbocatin allico.
Anillos saturados ramificados, favorecern la fragmentacin perdiendo la cadena lateral.
Anillos insaturados se fragmentarn siguiendo un mecanismo retro Diels-Alder
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Reglas de fragmentacin
Anillos aromticos con cadenas laterales, se fragmentarn para producir un carbocatin benclico que se reordena a un catin tropilio (aromtico) muy estable, de m/z 91.
Los enlaces C-C prximos a un heterotomo se fragmentan de tal manera que se transfiere la carga + al heterotomo:
R CH2 CH2 Y Rx
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Reglas de fragmentacin
La prdida de molculas neutras como agua (M -18), CO (M-28), CO2 (M-44), olefinas CH2=CH2 (M- 28), CH2=CHCH3 (M- 42), es a menudo el resultado de reordenamientos.
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Prdida de molculas neutras. Ejemplos
H HOC6H13 H2O + C6H13
- CO
O
O
O
- CO
+O
HO
H
O
H2O
HOH
CH3
H2C CHCH3 CH2=CH2H2O+ +
-
Fragmentaciones caractersticas
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Alcanos
-
Alcanos
La fragmentacin se da por prdida de grupos alquilo simples: Prdida de metilo: M+ - 15 Prdida de etilo: M+ - 29 Prdida de propilo: M+ - 43 Los alcanos ramificados se fragmentarn para producir el carbocatin ms estable
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Alquenos
-
Arenos
CH
H
CH Br
H
M+
Ion tropilio m/z 91
-
Aromticos
NO2
77
77
M+ = 123
-
CH2
m/z=91
m/z=91
m/z=65m/z=39
HC CHHC CH
m/z = 162
I.
H2C
CH2
CH
H
CH2
H
H
m/z=92m/z = 162
II.
m/z=77 m/z=51
HC CHC6H9
m/z = 162
III.
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Alcoholes Se fragmentan fcilmente, por lo que M.+ es
pequeo o a veces, est ausente.
Presentan un pico a M -1 por prdida de un tomo de hidrgeno, y picos a M 18 y M -17 por prdida de agua o .OH.
Comnmente pierden un grupo alquilo unido al carbono carbinol, para formar un ion oxonio. (Ruptura )
Alcoholes primarios presentan un pico prominente a m/z 31 correspondiente a CH2=OH
+
-
M+ M+-18
CH3CH2CH2OH
H2C OH
M+-1
-
R2 C
R1
R3
OH R3
R2
C
R1
OH
m/z: 31,59,73,......
I.
- H2O RHC CH2 RHC CH2
(CH2)n (CH2)n
or
H
RHCCH2
CH2
OH
n
RHCCH2
CH2
OH
n
H
II.
RHC
H
CH2
CH2
CH2
O+H
H2C CH2
- H2O M - (Alkene + H2O)
H2C CH R
-
III.
CH
CH2H2C
CH
HH2CR
H2C CH2- CH2CH
H2CR
-
teres
Ruptura en para producir un ion oxonio:
Prdida de un grupo alquilo formando un ion oxonio:
Prdida de un grupo alquilo formando un carbocatin
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H O CH2
H O CHCH3
CH3CH2O CH2
(CH3CH2OCH2CH3)
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Aminas
Si solamente hay un grupo amino en la molcula, el ion molecular tendr m/z impar.
Al igual que los alcoholes y teres forman cationes oxonio, las aminas pueden formar cationes imonio:
[RCH2NH2 ].+ RCH=NH2
+ + H.
[RCH2NHR].+ (CH2=NHR)
+ + R.
-
M=113
10
0
80
90
100
60
50
30
20
40
70
% O
F
BA
SE
PE
AK
NH84
56
41
27
CH2H3C
70
113(M )
20 40 60 80 10010 30 50 70 90 1100 1200
M-29
-
Aminas
129(M )
10
0
80
90
100
60
50
30
20
40
70
% O
F B
AS
E P
EA
K
0 20 40 60 80 10010 30 50 70 90 110
86
114
44
29
120 130 140
58
CH N CH2
CH3
CH2 CH2 CH3CH3
CH3
M-15
M-43
-
Aldehidos
-
Cetonas
-
cidos Carboxlicos
-
60
OH
O
Sufren reordenamiento McLafferty
-
steres
-
CH2 C
OH
OCH3
74
O
O
CH3
Sufren reordenamiento McLafferty
-
Amidas
-
Cromatografa de gases-EM
-
Muestra
Muestra
5890
1.0 DEG/MI
N
HEWLETT
PACKARD
HEWLETT PACKARD
5972A Mass
Selective Detector
D C B
A A
B
C
D
Cromatgrafo de gases Espectrmetro de masas
Separacin
Identificacin
B
A C D
A
D
B
C
MS