Espectrometría de masas
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Espectrometría de masas
Espectrometría de masas La espectrometría de masas (EM) no es una técnica espectroscópica en sentido estricto, estricto puesto que no implica absorción de radiación electromagnética. La EM p permite utilizar cantidades de muestra inferiores a los nanogramos (10-9 gramos). Cuando se introduce una molécula en la cámara de ionización y se bombardea con una corriente de electrones esta sufre la ionización, ionización es decir pierde un electrón dando lugar a la formación de un ión-radical: 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 p mediante el uso de alto vacío y una fuente de calor)) con una corriente de electrones a alta velocidad. Ello produce que la sustancia pierda a su vez algunos electrones y se fragmente dando diferentes iones, radicales y moléculas neutras. Los iones (moléculas o fragmentos cargados), y solo ellos, son entonces 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 impactos de dichos iones en función de 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: En él que la intensidad de los picos nos indica la cantidad relativa de iones que poseen dicha relación carga/masa. La separación de los diferentes iones se basa en la relación: m/z = H2R2/2V H 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 cinética de los iones: (z·V (z V=m m·v2/2) v2/2) y de otra el movimiento de una partícula cargada en un campo magnético: ( (m·v = R·H·E) R H E) Como curiosidades indicaremos q que la velocidad de los iones suele ser de unos 100 Km/s, que el radio de deflexión (R) suele ser de unos 35-50 cm y el tubo analizador suele ser un sector esférico de aproximadamente un metro de longitud. El electrón que se pierde es el de menor potencial de ionización; así se obtendrán unas estructuras como las que se muestran: Notación para los iones en EM etileno: H H H C ó C H H C H C H ó H2C CH2 H Debe tenerse en cuenta que son más fáciles de remover los electrones π que los σ. etano: H H H C C H H H ó H m/z = 30 H H C C H H H ó H H H C C H H H Consideramos solo la ionización del enlace Carbono-Carbono m/z = 30 m/z = 30 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 + ciclohexanona: O O ó clorociclohexano: Cl Cl ó En los dos últimos ejemplos, los electrones n son los más fáciles de remover. El ión molecular: •Debe ser el ión con mayor masa de los que aparecen en el espectro. espectro •Debe contener todos los elementos presentes en sus fragmentos. •Debe b corresponder d all ión ó con ell potenciall d de ionización ó más á b bajo. •Su relación m/z debe ser: par cuando no posee Nitrógeno o posee un número par de el; por la misma razón debe ser impar cuando posee un número impar de átomos de Nitrógeno (Regla del nitrógeno). •Las L diferencias dif i d de masa entre t dicho di h ión ió molecular l l y los l fragmentos f t que aparecen en el espectro deben ser químicamente lógicas. •Su abundancia relativa depende p de la naturaleza q química del p 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 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 ((HR-EM)) es p posible distinguir g 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 CHNO 43.0058 C2H3O 43.0184 CH3N2 43.0269 C2H5N 43 0421 43.0421 C3H7 43.0547 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. mismos Elemento Peso Atómico Isótopos Abundancia relativa (%) Masa atómica Hidrógeno 1.00794 1H 100 0.015 1.00783 2.01410 100 1.12 12.00000 13.00336 100 0.366 14.0031 15.0001 18O 100 0.037 0.240 15.9949 16.9991 17.9992 2H Carbono 12.01115 12C 13C Nitrógeno 14.0067 14N 15N Oxígeno 15.9994 16O 17O Fluor 18.9984 19F 100 18.9984 Silicio 28 0855 28.0855 28Si 30Si 100 5.110 3.38.5 27.9769 27 9769 28.97.65 29.9738 29Si Fósforo 30.9738 31P 100 30.9738 Azufre 32.066 32S 100 0.789 4.438 0.018 31.9721 32.9715 33.9669 35.9677 100 32 399 32.399 34.9689 36 9659 36.9659 81Br 100 97.940 78.9183 80.9163 127I 100 126.9045 33S 34S 36S Cloro 35.4527 35Cl 37Cl Bromo Iodo 79.9094 126.9045 79Br 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 p tienen masa impar. 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). catión) 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. Dichos iones radicales sufren posteriormente nuevas fragmentaciones y/o transposiciones dando lugar a cationes de masa par o impar respectivamente: Dichos iones radicales sufren posteriormente nuevas fragmentaciones y/o transposiciones dando lugar a cationes de masa par o impar respectivamente: 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 y es la abundancia ((mayor y intensidad del pico) p ) 1,3-butadieno: Catión radical: ó (Notaciones mas correctas) ó Para las últimas estructuras hay posibilidad de deslocalización. para benceno (como catión radical): ............... para naftaleno: ............ ............ 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 (C2H5), formilo (CHO) 30 Nitroso (NO) 31 Metoxilo (CH3O), hidroximetilo (CH2OH) 39 Ciclopropenilo (C3H3) 41 Alilo (CH2CH=CH2) 43 p ((C3H7), acetilo (CH ( 3CO)) Propilo 45 Carboxilo (COOH) 46 Nitro (NO2) 55 Butenilo (C4H7) 56 C4H8 57 t-Butilo (C4H9), Propanoilo (CH3CH2CO) 60 Acido acético 65 Ciclopentadienilo (C5H5) 77 Fenilo (C6H5) 91 Bencilo (tropillo, Ph-CH2) 92 Metilenpiridina (azatropilio, C5H5N-CH2) 105 Benzoilo (Ph-CO) 127 Iodo Fragmentaciones y transposiciones del ión molecular Roturas de un enlace simple (σ): Producen siempre un catión y un radical, se conoce como fragmentación simple: Fragmentaciones y transposiciones del ión molecular Rotura simultánea de DOS enlaces simples: produce normalmente la eliminación de moléculas neutras. En este tipo p se engloban g también las transposiciones p o reagrupamientos g p a través de estados cíclicos como la retro Diels-Alder y la transposición de McLafferty: Reglas de fragmentación de los compuestos orgánicos Independientemente del tipo de ruptura (homo o heteronuclear), las fragmentaciones responden a alguna de las cuatro reglas siguientes : 1ª REGLA: REGLA “Los enlaces Carbono-Carbono se escinden con preferencia en los puntos de ramificación”. La carga positiva quedará sobre el carbocatión más estable, estable siendo la estabilidad de estos: Terciario > Secundario > Primario > Metilo. Reglas de fragmentación de los compuestos orgánicos 2ª REGLA: “Los 2 Los sistemas de dobles enlaces favorecen la escisión de los enlaces alílicos y bencílicos”. La a ca carga ga pos positiva t a queda quedará á normalmente o a e te formando o a do u un ca carbocatión bocat ó a alílico co 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 (C7H7+) que es aromático. 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 enlaces, es lo que se conoce como reacción de RETRO DIELS-ALDER. 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 p posición alfa”. Ruptura enlace C-X Ruptura en alfa Ruptura enlace C-X Ruptura en alfa Si se trata de un grupo carbonilo (C=O), el ión más estable suele ser el ión acilo (RCO+) (RCO+). Reglas de fragmentación de los compuestos orgánicos 4º REGLA: REGLA “Los dobles enlaces y los heteroátomos favorecen, como aceptores de Hidrógeno, la transposición de un hidrógeno a través de un estado cíclico de transición de seis miembros” Se conoce como Transposición específica de Hidrógeno o Transposición de McLafferty”. Reordenamiento o transposición McLafferty Para que se produzca debe existir un átomo de Hidrógeno en posición γ (gama) respecto al doble enlace aceptor de Hidrógeno Hidrógeno. H La experimentan compuestos insaturados de formula general: R γ A R' H R O HC γ BBαα ββ C C OH CH β D + H2C C αH 2 R' CH2 H2C R' La transposición de McLafferty da lugar a un alqueno y a una forma enólica de una nueva cetona. cetona Transposición de McLafferty Ejemplos: •Una Una cetona con H en gama • fragmentación del catión-radical del 1-penteno: H CH CH 2 CH 2 HC CH 3 HC CH 2 + CH 2 Ruptura heterlítica CH 2 C H2 H CH CH 2 CH 2 HC C H2 CH 3 HC CH 2 + CH 2 CH 2 Ruptura homolítica Formación del Ión tropilio Ej etilbenceno se fragmenta generando señales a m/z 91 y a m/z 77. CH2 CH3 CH2 CH2 ......... CH3 + m/z = 91 Este tipo de Clivaje se conoce como bencílico, pero la representación más correcta del fragmento a m/z 97 es como ión tropilio. tropilio H H CH2 C H (hay expanción del anillo) ió tropilio ión t ili m/z / = 91 CH2 CH3 este clivaje j se conoce como vinílico C2 H 5 + m/z = 77 Alcanos Se observan los iones moleculares, aunque con baja intensidad El pattern tt d de ffragmentación t ió presenta t picos i que difieren difi en 14 unidades id d de d masa (pérdida de CH2) HIDROCARBUROS SATURADOS En ellos el pico molecular suele aparecer aunque a veces con una intensidad baja. baja Su espectro presenta un conjunto de picos separados en 14 unidades de masa. Siendo normalmente los picos más intensos los correspondientes a C3 y C4 (m/e 43 y 57 respectivamente). La presencia de ramificaciones da lugar a la rotura por los puntos de ramificación (1ª Regla de la fragmentación simple) aumentando l las i t intensidades id d d los de l i iones secundarios d i f formados d en dichas di h roturas. Los hidrocarburos saturados alicíclicos suelen presentar un pico molecular intenso Suelen ser espectros complejos en los que suelen predominar las intenso. perdidas de etileno (M-28) y la perdida de la cadena lateral (caso de existir). EM de tres hidrocarburos isómeros n-pentano 2-metilbutano 2 2 dimetilpropano 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 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-CH3)+, seguida de otras que indican i di lla progresiva i pérdida é did de d unidades id d CH2, CH2 m/z / = 43 (M-CH2-CH3)+ (M CH2 CH3) y m/z / = 29 (CH3-CH2)+. Estas señales se encuentran rodeadas de grupos de otras de menor intensidad que indican la presencia de 13C (M+1)+. y la pérdida de hidrógenos: (M-1)+, (M-2)+, etc. C3H7+, m/z = 43 CH3+ , m/z = 15 H 3C H2 C H2 C H2 C CH M , m/z = 72 C2H5+ , m/z = 29 C4H9+ , m/z = 57 2-metilbutano p presenta una distribución de fragmentos g similar a la del p pentano, sin embargo g las intensidades relativas de los picos son distintas. Así hay 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 C-2 2 CH3 CH3 H3 C C H H2 C H3C CH3 M , m/z = 72 C4H9+ , m/z = 57 ([M-CH3+]) m/z = 43 C - C2H5 C2H5+ , m/z = 29 H Carbocatión secundario estable ppor resonancia 2,2-dimetilpropano En este caso, la pérdida de un radical metilo del ión molecular produce el catión 1,1di til til (ter-butilo) dimetiletilo (t b til ) como pico i b base a m/z / 57. 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. CH3 H3C C CH3 H3C CH3 CH3 M , m/z = 72 - CH3 C m/z = 57 CH3 Carbocatión terciario muy estable por resonancia HIDROCARBUROS INSATURADOS Suelen presentar el pico del ión molecular, molecular aparentemente formado por la perdida de 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 respecto al 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. Hidrocarburos Aromáticos Los iones moleculares son los picos mas intensos debido a la estabilidad de sus estructuras HIDROCARBUROS 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 (C7H7, m/e 91) o iones tropilio sustituidos, normalmente acompañados de un pico a m/e 65 debido a la perdida de acetileno del mismo. Si la cadena es lo suficientemente larga también se observan los picos de la transposición de McLafferty (m/e 92). Topilio p m/z 91 Haluros de alquilo La presencia de átomos de Cl o Br se reconoce por sus picos isotópicos Bromuro de metilo: un ejemplo de cómo los isótopos pueden ayudar en la interpretación La relación de los picos conteniendo 79Br y su isótopo 81Br (100/98) confirma la presencia de bromo en el compuesto. compuesto Haluros de alquilo Mientras que el fluor y el yodo son monoisotópicos, el cloro y el bromo no lo son con lo cual la presencia de estos se pone de manifiesto por la aparición de dos picos correspondientes al ion molecular de masas M y M+2, en el caso del cloro este último con una intensidad 1/3 de M y en el caso del bromo 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 HCl y formación del alqueno. Suelen aparecer iones bromonio cíclicos cuando se puede formar un anillo de 5 miembros. miembros Alcoholes: Los iones moleculares de los alcoholes son muy pequeños o inexistentes Generalmente ocurren rupturas de enlaces C-C próximos al -OH Son muy frecuentes las pérdidas de H2O:18 unidades de masa ALCOHOLES Los alcoholes p primarios y secundarios suelen p presentar un débil p pico del ión molecular, los terciarios no lo suelen presentar. En cuanto a los procesos de fragmentación mas frecuentes suelen ser: la deshidratación (M-18) (M 18) y la ruptura de un enlace en el carbono que soporta al grupo -OH (dando lugar a iones del tipo: R2C+--OH estabilizados por resonancia por el oxigeno: CH2OH de (m/e 31) en el caso de los alcoholes primarios) (3ª Regla de la fragmentación simple). Los alcoholes bencílicos suelen dan un intenso pico de ión molecular, pudiendo dar el M-1 M 1 (hidroxitropilio) y/o el M-18 M 18 por efecto orto orto. 1-butanol Pérdida de agua (M-H2O)+ H2 H C C H 3C CH2 H H 3C H2 H C C H3C CH2 O O H M , m/z = 72 H H - H 2O H3C H2 H C C CH2 ó H2 H C C CH2 [[M-H2O]] , m/z / = 56 fragmentación en α H3C H2 H2 C C CH2 H3C H2 C CH2 + O H m/z 31 catión hidroximetilo (+CH2OH) CH2 H2C OH H2C OH OH m/z = 31 H3 C ion propilio (m/z 43) H2 H C C CH2 CH3 + H2C H C H2 C CH2 H C CH2 m/z = 41 2-propenilo (m/z 41) H 3C H2 C C H CH2 CH2 O H O H + H3 C H2 C CH2 m/z = 43 H3 C H C CH3 Éteres La fragmentación tiende a ocurrir en el enlace C-C alfa al átomo de oxígeno Ethyl methyl ether C3H8O MW = 60.10 ÉTERES Presentan picos parecidos a los de los alcoholes. Los dos procesos de fragmentación mas frecuentes suelen ser: -Rotura R t d dell enlace l C O quedando C-O d d la l carga sobre b ell radical di l alquílico l íli ((salvo l en ell caso de los aromáticos en que dicha carga suele quedar tanto sobre el anillo aromático como sobre el fenoxido). -Rotura Rotura del enlace C-COR, C COR dando lugar a iones del tipo: R2C+ R2C+-OR OR estabilizados por resonancia por el oxigeno: CH2OR (31,45,59,...). Esquema q de fragmentación g del grupo g p carbonilo La fragmentación en a vuelve a predominar dando lugar al correspondiente catión acilio y a un radical alquilo. O fragmentación α O C fragmentación α C R´ R R´ R - R´ -R R C O Catión acilio R C O R C O Aldehídos M -1 M - 29 3-Phenyl-2-propenal C9H8O MW = 132.16 La ruptura de los enlaces próximos al carbonilo resulta en la pérdida de H (M-1) o de CHO (M-29) ALDEHÍDOS Los alifáticos presentan picos débiles de ión molecular. Suelen dar la ruptura del enlace en alfa respecto al grupo carbonilo: picos M-1 (característico de aldehídos) y M - 29 (CHO). Si poseen H en gamma pueden dar transposición de McLafferty: m/e 44 (CH2=CHOH) 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. Cetonas Los picos base surgen de la ruptura de los enlaces C-C adyacentes al carbonilo Ió molecular Ión l l CETONAS Su ión molecular suele ser intenso. Se fragmentan de manera análoga a los aldehídos, predominando generalmente el ión acilo (RCO) resultado de la perdida del resto alquílico más voluminoso. Las metil cetonas suelen presentar un pico base a m/e 43 (CH3CO). 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 (CH3COH=CH2). Las aromáticas suelen presentar como pico i b base ell ió ión b benzoilo il m/e 105. EM de tres cetonas isómeras 2-pentanona 3-pentanona 3-metil-2-butanona 2-pentanona Metilcetona m/z 43 Pico base Dos picos procedentes de la fragmentación en α CH3 + H3C O C O m/z = 71 H 3C CH2 CH2 C CH3 CH3 M , m/z = 86 H Un fragmento adicional generado a partir de una transposición de M L Mc Lafferty ff t H2 C H2C O CH2 CH2 + H3 C γ CH2 OH CH2 β Cα H2 O m/z = 43 + CH2 H3C C H3C CH2 m/z = 58 CH2 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 CH3-CH2+ que se ge genera e a a pa partir t del catión CH3CH2CO+ por pérdida de CO O C H3C CH2 CH2 CH3 CH3 CH2 + H3C H2C C O H3C H2C C O m/z = 57 M , m/z = 86 - CO CH3 CH2 m/z = 29 3-metil-2-butanona Metilcetona m/z 43 Pico base Sólo aparecen las dos fragmentaciones en α. CH3 O H3 C CH3 CH + H3C C CH3 + H3C HC O m/z = 43 C CH CH3 M , m/z = 86 CH3 CH3 C O H3 C CH C CH3 m/z = 71 - CO CH3 CH CH3 m/z = 43 O Ácidos carboxílicos En ácidos de cadena corta dominan los picos provenientes de : •Pérdida de –OH (M -17) •Pérdida de COOH (M - 45) ÁCIDOS Si es posible dan transposición de McLafferty, McLafferty así en los alifáticos el pico base suele ser el de m/e 60 (CH2=C(OH)2). Suelen presentar un pico a m/z 45 correspondiente a COOH. En los aromáticos suele ser muy intenso el pico M-17 correspondiente al ión acilo. Para estudiarlos por masas suelen utilizarse sus esteres metílicos. Esteres Rupturas próximas al enlace C=O ( grupos alcohoxi, -OR) y reordenamiento de H ÉSTERES Los ésteres metílicos suelen dar como iones fundamentales el ión acilo (RCO) y el carboximetilo (OCOCH3, m/z 59). Si es de cadena larga el producto de Transposición de McLafferty (m/z 74: CH3COH=CH COH CH2). ) Los L d de etilo til y superiores i suelen l d dar ell ió ión R R-COOH COOH debido d bid a lla Transposición de McLafferty. p iones acilo ((ArCO)) p por Los ésteres de ácidos aromáticos suelen dar importantes perdida del radical alcoxilo y Transposiciones de McLafferty. Los bencílicos suelen dar un pico a M-42 por perdida de cetena (CH2=C=O). Aminas L iones Los i moleculares l l son generalmente l t impares i En aminas alifáticas predominan las rupturas alfa Aminas secundarias L iones Los i moleculares l l son generalmente l t impares i El pico base proviene de la ruptura del enlace C-C adyacente al enlace C-N AMINAS Las alifáticas no suelen presentar ión molecular. El pico más intenso suele corresponder a la perdida de un grupo alquilo en beta respecto al Nitrógeno (R2C=N+R'2), que en el caso de las aminas primarias corresponde a m/z 30 (CH2=NH2). Las aromáticas suelen dar un pico de ión molecular intenso que suele estar acompañado de un moderado M-1. Amidas El pico base de las amidas se bebe al reordenamiento de McLafferty AMIDAS Se suele observar el pico molecular molecular. La presencia de un pico a m/z 44 (NH2=C=O) es indicativo de amidas primarias. Suelen dar transposición de McLafferty.