Espectrometria De Massas

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Espectrometria De Massas Versão 1.1.09 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................................................................... 3 1.1 O ESPECTRÔMETRO DE MASSAS ................................................................................................................................ 3 1.1.1 Técnicas de Ionização ................................................................................................................................... 4 1.1.1.1 Impácto de elétrons ............................................................................................................................................. 5 1.1.1.2 Ionização Química ................................................................................................................................................ 6 1.1.2 Analisadores de massa ................................................................................................................................. 7 1.1.2.1 1.1.3 2 INTERPRETAÇÃO DE ESPECTRO DE MASSAS ................................................................................................................. 13 2.1.1 Procedimento para Interpretação ............................................................................................................... 14 2.1.2 Ferramentas para interpretação de espectros de massas ............................................................................ 14 2.1.2.1 Abundância isotópica ......................................................................................................................................... 15 2.1.2.2 Determinação de Íon Molecular.......................................................................................................................... 16 2.1.2.3 Regra do Nitrogênio ........................................................................................................................................... 16 2.1.2.4 Anéis e dupla ligação .......................................................................................................................................... 17 2.1.2.5 Perdas Lógicas de fragmentos............................................................................................................................. 17 2.1.2.6 Perdas lógicas de moléculas ............................................................................................................................... 18 2.1.2.7 Íons Comuns ...................................................................................................................................................... 18 2.1.3 4 Detectores de Massa .................................................................................................................................... 9 O CROMATOGRAMA DE ÍONS TOTAIS E O ESPECTRO DE MASSAS .......................................................................... 10 2.1 3 Quadrupolo.......................................................................................................................................................... 7 Guia para normalização das abundâncias ................................................................................................... 18 EXEMPLOS DE INTERPRETAÇÃO DE ESPECTROS DE MASSAS .................................................................................. 19 3.1 COMPOSTO DESCONHECIDO X ................................................................................................................................ 19 3.2 COMPOSTO DESCONHECIDO Y ................................................................................................................................ 23 3.3 COMPOSTO DESCONHECIDO Z ................................................................................................................................ 25 EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO ........................................................................................................................................ 28 2 1 Introdução O espectrômetro de massas depende de uma fase de separação dos compostos a serem identificados antes da admissão no sistema. Esta fase de separação não necessariamente deverá ser um cromatógrafo, qualquer outra técnica que separe os componentes de uma mistura, pode ser acoplado a um espectrômetro de massas. O estado da arte da espectrometria de massas atualmente permite acoplá-lo a inúmeros instrumentos e os avanços crescem de forma exponencial, tanto na química orgânica quanto a inorgânica. 1.1 O espectrômetro de massas Em 1913, J.J. Thonson demonstrou que o neon de diferentes espécies atômicas (isótopos) tendo peso atômico de 20 e 22 g/mol. Thonson é considerado o “pai da espectrometria de massa”. Seu trabalho repousa na descoberta de Goldstein´s (1886) de que íons carregados positivamente podem sofrer deflexão pelos campos elétrico e magnético. O espectrômetro de massa é um instrumento que mede a razão massa/carga (m/z) de íons na fase gasosa e fornece a abundância de cada espécie iônica. Em GC/MS a carga é quase sempre 1, de maneira que a escala é calibrada em dalton ou unidade de massa atômica. Todos os espectrômetros de massas operam pela separação dos íons na fase gasosa em um ambiente de baixa pressão através da interação de um campo elétrico ou magnético com as partículas carregadas. Os espectrômetros de massas mais comuns operam interfaciados com cromatógrafos gasosos e são classificados de acordo com o método de classificação dos íons em setor magnético ou quadrupolo. Figura 1 – Representação esquemática para a espectrômetria de massas. 3 Figura 2 – Representação ilustrada de um espectrômetro de massas acoplado a um CG. Figura 3 – Espectrômetro de massas acoplado a um cromatógrafo (Agilent). 1.1.1 Técnicas de Ionização Existem três métodos importantes para a preparação de íons gasosos (I) Volátil, os materiais são geralmente ionizados por interação de seus vapores com elétrons, íons, ou fortes campos elétricos (II) Um 4 campo elétrico forte também pode ionizar materiais não-voláteis além de, íons não-voláteis e termicamente estáveis. (III) alternativamente, soluções líquidas do analito podem diretamente serem convertidas em íons de fase gasosa via técnicas de spray. Método (i) pode só ser aplicados a monômeros ou em conjunto com métodos de degradação (principalmente pirólise). Métodos (ii) e (iii) estes métodos são para polímeros não fragmentados. A produção de íons nos espectrômetros de massas envolve vários fatores. Certos tipos de análises necessitam de íons em profusão e outros de seletividade. Há casos em que a energia com que se forma o íon é muito importante. Também, o estado da amostra como visto anteriormente, pode determinar qual o método a ser usado. Os métodos mais utilizados em espectrometria de massas são: Ionização por elétrons ou impacto de elétrons (EI); Ionização Química (CI); Ionização por radiação laser; Ionização por campo elétrico; Ionização de superfície; Ionização por electrospray. Nesta apostila será dada ênfase aos dois métodos mais utilizados que são impacto de elétrons (EI) e ionização química (CI). Figura 4 – Foto ampliada de uma fonte de íons para a técnica impácto de elétrons (Agilent). 1.1.1.1 Impácto de elétrons Quando uma corrente é aplicada a um filamento, o filamento é aquecido resistivamente até a incandescência, emitindo vários elétrons simultaneamente. Placas colimadoras são empregadas para o controle do feixe de elétrons emitidos. Um potencial de aproximadente 70 V é mantido entre o filamento e a placa de tal forma que os elétrons sejam acelerados para longe do filamento e passem através das placas colimadoras com uma energia média de 70 eV. O valor de 70 eV é comum porque a probabilidade de ionização para a maioria dos compostos orgânicos é maximizada próximo deste valor. As placas colimadoras levam os elétrons energéticos a colidirem com as moléculas do gás. Utilizando o nitrogênio como exemplo, o impacto do elétron primário, ep-, sobre a molécula de N2 faz com que a molécula em seu estado fundamental seja promovida a energias maiores escapando do poço de potencial da molécula neutra. Um elétron secundário, es-, é liberado pela molécula de nitrogênio, segundo a equação (1.1). e p (70eV )  N 2  N 2.  e s  e p ( 54,5eV ) (1.1) 5 O cátion de nitrogênio excitado (N2+.), tem uma energia no estado fundamental de 15,6 eV acima da molécula original de N2, pois a energia de ionização EI (N2) é de 15,6 eV. A colisão pode resultar na formação de N2+ excitado com energias mais altas. Quando o excesso de energia é eletrônico (B), a energia pode ser liberada na forma de um fóton com energia específica, permitindo que íon N2+ volte ao seu estado fundamental (X), segundo a equação (1.2). N 2  (B)  N 2  ( X)  hv (1.2) O impacto do elétron primário pode também aumentar a energia vibracional do cátion resultante e este aumento na energia vibracional tem um importante papel na espectrometria de massas. Na medida em que a razão de vibração e alongamento aumenta, a probabilidade de rompimento da ligação também aumenta. A ruptura da ligação resulta na fragmentação do íon-pai como se fora um copo de vidro que se quebra ao cair no chão. O padrão de fragmentação depende da composição do íon-pai, e o exame do padrão de fragmentação leva a uma compreensão da estrutura e composição do íon-pai. Para o nitrogênio a única fragmentação possível é o íon N+. Figura 5 – Esquema de fonte de ionização eletrônica 1.1.1.2 Ionização Química Um modo alternativo de ionização é a ionização química (CI). Alguns equipamentos, que contém um cromatógrafo acoplado, permitem através de um chaveamento automático a obtenção do espectro por impacto eletrônico (EI) e a ionização química (CI). O método da CI envolve a mistura da amostra (~104 Torr) com um gás reagente em alta pressão (1Torr) na fonte de formação dos íons. Os gases reagentes, comumente usados, são: metano, isobutano e amônia. A mistura resultante submetida ao bombardeio eletrônico ioniza, inicialmente, algumas moléculas do gás reagente. Deste modo, usando o gás metano as espécies esperadas são, CH4+. e CH3+.. Em alta pressão, colisões destas espécies e reações íon-molécula com o próprio gás reagente são comuns, levando a formação de íons secundários, com um pequeno excesso de energia interna: 6 CH4+. + CH4 ==> CH5+ + CH3 CH3+ + CH4 ==> C2H5+ + H2 Estes íons secundários, eventualmente, colidem com moléculas da amostra, resultando na ionização química das últimas. A ionização química é, comumente, devido à protonação, especialmente para compostos básicos: M + CH5+ ==> ( M + 1 )+ + CH4 Os íons, quase-moleculares, são espécies com elétrons pares que tendem a ser mais estáveis do que os íons moleculares produzidos por EI. A combinação da energia mais baixa no processo de ionização, com esta maior estabilidade, indica que os íons quase-moleculares são, geralmente, pouco abundantes no espectro de CI. A interpretação destes espectros é com freqüência mais direta do que para o espectro de EI, desde que existam poucos íons fragmentados, os quais tendem a ser de maior significância. A quantidade da fragmentação pode ser mudada pela natureza do gás reagente. Em geral, tanto as faixas dos compostos protonados e o grau de fragmentação observado decrescem quando o gás reagente é mudado na ordem: metano > isobutano > amônia. Por exemplo, a amônia protonará fracamente moléculas básicas tais como alcoóis e aminas. 1.1.2 Analisadores de massa 1.1.2.1 Quadrupolo Figura 6 – Esquema de um quadrupolo simples 7 Figura 7 – Foto mostrando sistema GC/MS (cortesia PerkinElmer) Um analisador de massa tipo quadrupolo consiste de quatro barras hiperbólicas e circulares (fig.8). Figura 8 – Analisador de massa tipo quadrupolo. Cada par de barras opostas são conectadas eletricamente e fornecidas voltagens de mesma magnitude porém de polaridades diferentes. A voltagem aplicada em cada par consiste de uma corrente contínua (CC), U, e uma componente de radiofreqüência (rf), Vcost. Valores típicos são varias centenas de volts para U, vários milhares de volts para V, e megahertz para . Uma vez que o potencial total de cada barra é +(U + Vcost) ou –( U + Vcost), o campo radiofreqüência alterna a polaridade da barra. Os íons são acelerados ao longo do eixo z (~5 a 10eV) antes de entrar no espaço entre as barras do quadrupolo onde eles experimentam um campo combinado resultante do potencial das barras. O cátion é induzido para o pólo negativo e vice-versa; se o potencial muda de sinal antes da descarga do íon, o íon muda de direção oscilando através das barras. O íon irá passar com sucesso através das barras ou será descartado em função da CC e rf voltagem aplicada, como mostrado na figura 9 para íons de três diferentes massas; na 8 figura, o íon de massa m2 tem uma trajetória estável (podem passar através do quadrupolo) em valores U e V situado dentro da curva ponteada. Figura 9- Diagramas superpostos de estabilidade U por V para íons em ordem crescente de razão massa/carga. Rampeando os potenciais de DC e RF apropriadamente, somente os picos de cada diagrama individual serão interceptadas. Portanto, os íons serão emitidos seletivamente do filtro de massas quadrupolar sendo os íons mais leves primeiramente emitidos. 1.1.3 Detectores de Massa Os íons com trajetórias estáveis que saem do filtro de massas quadrupolar são detectados de duas formas: usando um Copo de Faraday (CF) ou um Multiplicador de Elétrons (ME). O CF é o detector mais simples. Os íons positivos que saem do espectrômetro de massas entram no copo metálico que esta aterrado. Quando os íons se chocam com as paredes do copo, os mesmos são neutralizados, absorvendo um elétron do copo metálico, a perda de um elétron do copo metálico é medida por um amperímetro interposto entre o copo e o terra. Portanto, quanto maior o número de íons que entram no copo, maior a corrente detectada. Uma das melhores características do CF é a de que todos os íons são detectados com a mesma eficiência, de acordo com suas massas. No entanto, o CF e limitado a baixas pressões e se torna impraticável abaixo de 10-9 Torr. A baixas pressões, inferior a 10-9 Torr, o ME e um detector bastante preciso. O ME tem formato de cone e os íons entram na boca do cone. A boca do cone é fortemente negativa, relativamente ao fundo do cone, de tal forma que íons positivos são acelerados em direção a superfície do cone. Na medida em que atingem a cone, as íons de velocidade alta ejetam elétrons da superfície do cone (Fig. 10). Figura 10 - Multiplicadora de Elétrons (ME). Íons positivos atingem o interior do cone, próximo da boca do multiplicador de elétrons, liberando elétrons que são acelerados na direção do fim do cone devido a um gradiente negativo no cone. Os elétrons se chocam repetidamente com a superfície interna do cone, causando a emissão de mais elétrons. Esta multiplicação de elétrons causa a emissão de uma cascata de elétrons no final do cone. Os elétrons atingem o detector de tal forma que a corrente eletrônica é proporcional a corrente de íons que penetram a boca do cone. 9 Estes elétrons secundários são acelerados em direção ao fim do cone, se chocando com a superfície do mesmo repetidamente e causando a liberação de mais elétrons da superfície do cone. Esta multiplicação do número de elétrons causa a emissão de uma cascata de elétrons no fim do cone. O gradiente no cone e ajustado de tal forma a manter um mínimo de 105 elétrons emitidos no fim do cone para cada íon que entra, no entanto a cone pode liberar ate 108 elétrons por íon. A corrente eletrônica é amplificada para produzir uma corrente elétrica ou sinal iônico que é proporcional à corrente iônica incidente no detector. Uma vez que as potenciais DC e RF são rampeados a uma razão constante, o gráfico da variação temporal da intensidade do sinal de CF ou ME produz um espectro de massas para as razões massa/ carga do intervalo de varredura. Cada pico obtido pode ser relacionado a uma correspondente razão massa/ carga. Esta conversão do eixo x de tempo para razão massa/carga só é válida na medida em que a razão de rampeamento de U e V sejam conhecidas e possam ser referenciadas ao correspondente diagrama de estabilidade. 2 O cromatograma de íons totais e o espectro de massas Nesta apostila iremos abordar algumas técnicas para a interpretação de espectros de massa. Através de alguns passos iremos identificar uma boa quantidade de compostos, porém existem outros mecanismos de fragmentação que não serão abordados. Identificar uma molécula simples a partir de um espectro de massa obtido através do impacto eletrônico (EI) é muito mais simples que outros tipos de espectro. O espectro de massas mostra a massa da molécula em seus vários “cacos”, após ser quebrada. É importante fazermos uma pequena revisão de alguns conceitos básicos de química para iniciarmos o estudo. Primeiramente vamos ver a aparência de um espectro de massas e entender como um espectro é gerado a partir de um cromatograma. 10 Figura 11 – Cromatograma de íons totais (TIC) e espectro de massas Como pode ser observado na figura 11, considerando que temos acoplado ao espectrômetro de massas um cromatógrafo, uma amostra foi injetada e após aproximadamente 5 minutos, notamos 5 picos formados a partir da soma das abundâncias dos fragmentos ionizados das moléculas de cada scan. A palavra scan traduzida indica varredura, ou seja, em intervalos de tempo pre-programados o detector de massas “varre” uma faixa de massas que pode variar de acordo com o interesse do estudo (ex. de 10 a 400 u). O intervalo de tempo para cada scan pode atingir até 7 scans/segundo dependendo das condições de interesse do método analítico. No exemplo da figura 6, no quadro abaixo, visualizamos o que chamamos de espectro de massas, onde o primeiro composto apresenta fragmentos de 25 a 200 u. Este scan compreende ao instante em que a abundância de íons é mais intensa, ou seja, na altura máxima do pico. Portanto, cada pico corresponde a um composto distinto, previamente separado na coluna cromatográfica. O exemplo abaixo nos auxiliará na visualização prática. 11 Gerando um cromatograma de íons totais Número do scan Massa/carga 1 2 3 4 5 6 7 8 9 42 3 1 16 87 238 144 10 2 3 72 95 94 91 106 114 83 98 87 112 82 7 5 78 482 1246 958 89 9 5 105 0 2 24 157 401 345 40 4 2 182 4 2 52 463 1438 1600 277 13 4 198 2 3 7 6 198 225 43 2 6 272 2 0 4 38 149 219 56 3 1 303 1 2 7 95 389 647 191 10 2  íons totais 114 109 279 1434 4173 4221 804 130 135 Soma dos íons totais vs. Número do scan Na figura 12, é mostrado um espectro de massas simples da molécula do metano, onde pode ser observado o íon molecular de massa 16, o íon 15 que corresponde ao CH3+. (perda de um hidrogênio), o íon 14 que corresponde ao CH2+. (perda de dois hidrogênios), o íon 13 correspondente a CH+. (perda de 3 hidrogênios), o íon 12 correspondente C+. (perda de 4 H´s) e finalmente o íon 17 que corresponde ao elemento 12 “A + 1” que está relacionado com a abundância isotópica do carbono, detalhes estes que serão vistos nos tópicos subseqüentes. 16 100 15 H H 50 H H 14 13 12 17 0 10 11 12 (mainlib) Methane 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 Figura 12 – Espectro de massas para o metano. 2.1 Interpretação de espectro de massas Objetivo: Determinar a identificação absoluta de um composto desconhecido unicamente a partir da inspeção de seu espectro de massas. Realidade: O uso do espectro de massas e outras informações podem limitar o número de possíveis compostos de cerca de 10.000.000 para poucos. O grau de sucesso é em função da quantidade e qualidade da informação disponível, bem como a habilidade do analista. Objetivos:  Introduzir um acesso sistemático para interpretar um espectro de massas.  Introduzir e aplicar as ferramentas mais comuns de interpretação.  Aplicar o uso destas ferramentas para resolução de problemas. Algumas nomenclaturas importantes no estudo de interpretação:  Pico base – é o pico mais abundante do espectro.  Íon molecular – íon com mesma massa nominal da molécula neutra  Pico parente – é o íon molecular  Massa – medida em daltons, anteriormente amu (unidade de massa atômica)  Razão massa/carga (m/z): refere-se à massa do íon.  Abundância absoluta - Resposta do sistema de detecção.  Abundância relativa – Pico base normalizado para 100%. 13 2.1.1 Procedimento para Interpretação Espectro de massa Anéis e dupla ligação Observar o aspecto geral do espectro Abundância isotópica Identificar o íon molecular Regra do nitrogênio Perdas lógicas de fragmentos Perdas lógicas de moléculas Composição elementar Abundância isotópica Características estruturais Anéis e dupla ligação Postular a estrutura molecular 2.1.2 Ferramentas para interpretação de espectros de massas Abundância Isotópica Anéis + Perdas lógicas de fragmentos Dupla ligação Regra do nitrogênio Perdas lógicas de moléculas Nos próximos subitens iremos aprender melhor sobre estas ferramentas. 14 2.1.2.1 Abundância isotópica Figura 13 – Tabela das abundâncias isotópicas dos elementos mais comuns. ELEMENTOS “A” 1) Existem quatro elementos, comuns em análise por GC/MS que tem somente uma ocorrência natural, isótopo estável. Estes quatro elementos são: fósforo, flúor, hidrogênio, e iodo. Os pesos atômicos destes elementos são: 30,97, 18,99, 1,00 e 126,9, respectivamente. 2) Destes quatro elementos o hidrogênio é o mais comum. 3) A presença de iodo pode ser inferida a partir de alto peso molecular e perda de 126,9 u durante a fragmentação. 4) Um elemento “A + 2” que é freqüentemente incluído como elemento “A” é o oxigênio. Isto é devido à baixa abundância relativa de seu isótopo “A + 2”, que é somente 0,2 %. Esta baixa abundância relativa faz com que a determinação do número de átomos seja dificultada a partir da abundância isotópica. ELEMENTOS “A + 1” 1) Existem dois elementos com um isótopo com uma unidade de massa a mais que o isótopo mais abundante. Estes elementos são carbono e nitrogênio. 2) A abundância de carbono 12, relativa para o carbono 13 é 1,1%. A abundância do nitrogênio 14, relativa para ao nitrogênio 15 é 0,37%. Exemplo de Abundância isotópica para elementos “A + 1“ para o carbono CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 1,1% H2C CH C N 0,4% CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 1,1% H2C CH C N 1,1% CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 1,1% H2C CH C N 1,1% CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 1,1% H2C CH C N 1,1% CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 1,1% CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 1,1% 3,7 6,6 15 elementos “A + 2” 1) 2) 3) 4) Identifique o íon molecular e agrupamentos dos isótopos Se a abundância “A + 2” for < 98% da abundância de “A” então não tem presença de bromo. Se a abundância “A + 2” for < 33% da abundância de “A” então não tem presença de cloro Se a abundância de “A + 2” é menor que 4,4% de “A” então não temos presença de enxofre. O enxofre “A + 1” tem 0,8% de abundância. 5) Se a abundância de “A + 2” é menor que 3,4% de “A” então não temos presença de enxofre. Sílica “A + 1” tem 5,1% de abundância. A combinação das abundâncias de “A + 1” e “A + 2” identifica facilmente a presença de sílica. 2.1.2.2 Determinação de Íon Molecular   O íon molecular fornece a mais valiosa informação no espectro de massa; sua massa e composição elementar mostra os limites da molécula no qual os fragmentos indicados no espectro de massa devem ser explicados. O íon molecular deverá ser o pico de maior massa no espectro (com exceção para o pico dos isótopos) 2.1.2.3 Regra do Nitrogênio Uma molécula com número ímpar de átomos de nitrogênio terá peso molecular ímpar. Íons nos quais resultam de uma fragmentação simples têm massas pares. 58 100 30 NH 50 44 73 29 15 72 42 26 56 31 59 74 0 10 20 (mainlib) Ethanamine, N-ethyl- 30 40 50 60 70 80 Moléculas com número par de átomos de nitrogênio (0 é um número par) têm peso molecular par. Íons nos quais resultam de fragmentação simples têm massa ímpar. 83 100 55 50 41 98 69 27 39 53 0 10 20 30 (mainlib) Cyc lohexane, methyl- 40 50 60 70 80 90 100 110 16 2.1.2.4 Anéis e dupla ligação (A + D) Devido à valência dos elementos envolvidos, o número total de anéis e duplas ligações em uma molécula de fórmula CxHyNzOn deverá ser igual a A + D = X  1 1 Y  Z  1, 2 2 Onde: X= carbono ou silício Y= hidrogênio, flúor, cloro, bromo ou iodo Z= nitrogênio ou fósforo Para íons, o valor calculado poderá terminar em “0,5” (indicando que o número de elétrons é par). Como usar esta regra fica claro observando o exemplo abaixo: Piridina – C5H5N anéis + dupla ligação X = 5 – 2,5 + 0,5 + 1 = 4 Piridina+. Número ímpar de elétrons Benzoíla – C7H5O anéis + dupla ligação X = 7 – 2,5 + 1 = 5,5 C7H5CO+ número par de elétrons O valor encontrado de 4 para a piridina representa o anel e três duplas ligações dessa molécula. O valor de 5,5 encontrado para a benzoíla mostra o anel, as três duplas ligações do benzeno, e a dupla ligação do grupo carbonila. 2.1.2.5 Perdas Lógicas de fragmentos Somente um número limitado de fragmentos neutros de baixa massa que são perdidos na decomposição do íon molecular. Estes fragmentos resultam da quebra de ligações simples. Os fragmentos mais comuns são: 17 2.1.2.6 Perdas lógicas de moléculas As perdas de moléculas neutras resultam em fragmentos no espectro de massas no qual o íon tem um número de elétrons ímpar. A perda de uma molécula neutra pode somente ocorrer através de uma “combinação” intramolecular do átomo via mecanismo de transferência e eliminação. Isto é menos comum de ocorrer do que nos processos de fragmentação de ligações simples. A perda de molécula neutra a partir de um íon molecular par, normalmente resulta em fragmento de massa par no espectro de massas. 2.1.2.7 Íons Comuns Um número de grupos orgânicos funcionais produz fragmentos específicos. A observação destes detalhes poderá ser útil na identificação dos possíveis grupos funcionais do composto desconhecido no espectro de massas. 2.1.3 Guia para normalização das abundâncias 1. Selecione o íon molecular em potencial. 2. Se o íon selecionado não é o íon mais abundante no espectro (pico base) multiplique por 100/abundância relativa (fator de normalização – NF) do íon selecionado. 18 3. Multiplique a abundância isotópica pelo fator de normalização para determinar a abundância relativa do íon selecionado. 4. O erro inerente na abundância isotópica medida é de +/-10% relativa ou 0,2 absoluta, qualquer que seja o valor. 5. A magnitude do erro também deve ser multiplicada pelo fator de normalização durante o processo. 6. Uma seleção apropriada do espectro deverá ser feita visando aumentar a abundância relativa do íon selecionado, baseando-se nos parâmetros de aquisição, ou seja, o espectro selecionado deverá ser o mais representativo possível. Exemplo: C9H8O4 m/z Ab.Rel. Ab. Norm. NF A 180 15,1 100 6,62 A+1 181 1,5+/-0,2 9,9+/-1,3 A+2 182 0,1+/-0,2 0,6+/-1,2 3 Exemplos de interpretação de espectros de massas 3.1 Composto desconhecido X  Acima são listados as abundâncias para os íons de maiores m/z para nos ajudar nos cálculos.  A primeira coisa a se fazer é determinar o íon molecular. A primeira vista o íon 87 parece ser uma escolha razoável.  Sendo um número ímpar, indica a presença de quantidade ímpar de nitrogênio (regra do nitrogênio).  A maior parte dos fragmentos é ímpar. Eles deveriam ser par se houvesse a presença de nitrogênio. 19  Outro fator a considerar é que se 87 for o íon molecular é o tamanho do elemento “A + 1”. Ele aparenta ser muito alto.  Se normalizarmos a abundância baseada no íon 87 teremos: m/z Abun.Norm. 87 100 88 46,9 89 3,1 Isto implicaria dizer que existem cerca de 42 átomos de carbono, o que não é coerente para um peso molecular de 87 u.  Tentaremos usar como peso molecular a massa 88.  Sendo uma massa par e a maioria dos fragmentos são ímpares.  Em seguida iremos fazer a normalização para o íon 88. m/z Ab.Rel. Ab. Norm. NF A 88 1,5 100 66,7 A+1 89 0,1 6,7 Cn-1 Cn Cn+1  88 aparenta ser um valor razoável. Vale lembrar que os valores podem ter desvio de 10%.  Seis carbonos parece ser a sugestão do elemento “A + 1”. m/z Ab.Rel. Ab. Norm. NF Cn-1 Cn Cn+1 A 88 1,5 100 66,7 60 72 84 A+1 89 0,1 6,7 5,5 6,6 7,7 Íon molecular proposto: 88 6 carbonos: -72 massa restante 16 - Possível formula molecular se limitada aos elementos associados com moléculas orgânicas: C6H16 C 6O - O teste de anéis e dupla ligação deverá mostrar qual deverá ser o íon molecular. 20 X= X 1 1 Y  Z 1  2 2 C6H16 6 16  0  1  1 2 C 6O 6  0  0 1 7 O valor de –1 encontrado para C6H16 deveria indicar a ausência de anéis e dupla ligação. Na realidade este valor indica um excesso de hidrogênios nesta estrutura. Para hidrocarbonetos saturados: CnH2n+2, se n=6, o número máximo de hidrogênios deveria ser 14. Esta fórmula está errada. O valor de 7 para C6O indica um altamente insaturado. Você poderá tentar de várias maneiras encontrar uma estrutura razoável para esta fórmula, sem sucesso. A ausência de hidrogênios nesta fórmula também sinaliza como sendo uma fórmula errada. Voltando na planilha de normalização: m/z Ab.Rel. Ab. Norm. NF C5 C6 C7 A 88 1,5 100 66,7 60 72 84 A+1 89 0,1 6,7 5,5 6,6 7,7 Se C6 foi impossível, C7 deverá ser ainda mais. Vamos assumir 5 carbonos, mesmo sendo acima do limite de 10%, ainda está na faixa de +/-0,2 absoluto. Então agora: Íon molecular proposto: 88 5 carbonos: -60 massa restante 28 Possíveis fórmulas: C5H28 C 5N2 C5H12O (esta fórmula certamente está errada) (esta parece muito estranha, não tem H) (parece razoável) Vamos para o teste dos anéis e dupla ligação: C5H12O X 5 12  0 1 0 2 21 O valor de zero encontrado indica um composto saturado e sem presença de anéis. Agora verificaremos as as perdas lógicas e fragmentos comuns: Estas características sugerem ser um álcool. Os íons 17 e 31 são fortes evidências. Temos também a evidência de fragmentos C5, C4, C3, C2 e C1, isto indica uma cadeia linear. Assumiremos que seja o 1-pentanol e vemos que os fragmentos fazem sentido. 22 3.2 Composto desconhecido Y  Primeiramente devemos identificar o íon molecular. 86 – se utilizarmos esta linha, não teremos informações do isótopo 85 – se esta linha for selecionada, então 86 também se mostra muito alto. 84 – esta linha parece mais razoável. Usaremos estes valores para normalização. O elemento “A + 1” é 5,1% - massa par Sendo 1,1% para cada carbono, indica que a estrutura deverá ter de 4 a 5 carbonos. m/z Ab.Rel. Ab. Norm. NF A 84 100 100 1 A+1 85 5,1 5,1 A+2 86 4,4 4,4 Cn-1 Cn Cn+1 Baseando-se somente na primeira linha “A + 1”, poderíamos ficar como sendo 4 ou 5 carbonos, mas a linha “A + 2” deverá nos ajudar a realçar ainda mais as evidências. A A+1 A+2 m/z 84 85 86 Ab.Rel. 100 5,1 4,4 Ab. Norm. 100 5,1 4,4 NF 1 C3 36 3,3 C4 48 4,4 C5 60 5,5 Avaliando a tabela de abundância isotópica dos elementos “A + 2” Elemento O S Cl Br massa 15,9949 31,9720 34,9989 78,9183 Ab.Rel. 100 100 100 100 massa Ab.Rel. 32,9715 36,9659 80,9163 0,8 32,5 98 massa 17,9992 33,9679 Ab.Rel. 0,2 4,4 Classe A+2 A+2 Observando a linha do elemento “A + 2”, vemos que a abundância relativa do enxofre é de 4,4%, então o enxofre é provavelmente o elemento presente. O enxofre também contribui com 0,8% na linha “A + 1”. 23 Se enxofre esta presente na estrutura, então C5S tem valor muito alto de massa e o elemento “A + 1” é muito baixo para C3S. Assim, assumiremos que ele tem C4S. A A+1 A+2 m/z 84 85 86 Ab.Rel. 100 5,1 4,4 Ab. Norm. 100 5,1 4,4 NF 1 C 3S 68 4,1 4,4 C 4S 80 5,2 4,4 C 5S 92 6,3 4,4 Se nosso íon molecular é m/z 84 com 4 carbonos e um enxofre então: Íon molecular 84 4 carbonos -48 1 enxofre -32 massa restante 4 (muito provavelmente 4 hidrogênios) Formula potencial C 4H4S Agora faremos o teste para verificar se esta fórmula poderá ser o íon molecular: Teste de anéis + dupla ligação (lembrando que oxigênio e enxofre não entram) X  4 4  0 1 3 2 Com o resultado de anéis + dupla ligação de 3:  Sendo um valor inteiro, pode ser o íon molecular.  Nós poderíamos ter um anel, múltiplas ligações e até o grupo C=S. Torna-se necessário agora analisarmos o espectro de massa para identificar as perdas lógicas para associarmos as evidências. 24 m/z  Perda lógica 26 C 2H2 39 C 3H3 45 CHS 52 C 4H4 58 C 2H2S Não tem a presença de CH3 ou C2H5, então uma estimativa razoável seria de que existe a presença de anel. Relembrando, Anéis + dupla ligação = 3 Tiofeno apresenta ser uma boa estimativa: S  esta estrutura satisfaz a condição do teste de anéis + dupla ligação (3). Duas duplas e um anel  Sabemos também que uma estrutura de anéis são bastante estáveis gerando íon moleculares de grande intensidade. Resta agora identificar os fragmentos do tiofeno na estrutura: 39 C3H3 45 S CHS 26 C2H2 S 58 C2H2S 52 C4H4 32 S S Com essas evidências, a probabilidade de espectro do composto ser o tiofeno é elevada. 3.3 Composto desconhecido Z 25  m/z Abundância 72 0,34 73 2,25 74 21,54 75 1,02 O íon 74 aparenta ser um candidato a nosso íon molecular.  Precisamos agora normalizar os dados. m/z Ab.Rel. Ab. Norm. NF A 74 21,54 100 4,64 A+1 75 1,02 4,73 Cn-1 Cn Cn+1 A+2 Não existe o elemento “A + 2”. 4 carbonos parece um número razoável.  m/z Ab.Rel. Ab. Norm. NF C3 C4 C5 A 74 21,54 100 4,64 36 48 60 A+1 75 1,02 4,73 3,3 4,4 5,5 A+2  C4 ainda é um valor razoável. A linha “A + 1” é ainda um pouco alta.  Isto poderia indicar a presença de nitrogênio, mas o íon molecular é par e as outras maiores linhas são todas ímpares. Vamos fazer uma tentativa de distribuir estes carbonos.  Íon molecular 74 4 carbonos -48 massa restante 26 A massa restante de 26 é muito alta para ter a presença de 2 nitrogênios ou para serem  todos hidrogênios (máximo 10 se for saturado). Se o composto fosse saturado, teríamos ainda 16 restantes. Poderia ser o oxigênio? Íon molecular 74 4 carbonos -48 1 oxigênio -16 massa restante 10  Uma fórmula razoável a se propor é: C4H10O. Vejamos se ela passa no teste dos anéis + dupla ligação: X  4 10  0 1 0 2 26  Zero como resultado indica que ele pode ser o íon molecular e não tem presença de anéis nem dupla ligação.  Nosso composto pode ser álcool ou éter. Aldeído ou cetona são descartados devido ao teste acima.  C4H7F é também uma possibilidade, mas não existe a presença de 19 no espectro. Considerando ainda que em GC/MS não é muito comum amostras contendo flúor.  Agora precisamos analisar o espectro e avaliar os fragmentos comuns e as perdas lógicas. íons e perdas possíveis fragmentos  Somente os fragmentos contendo C, H e O foram considerados nas linhas maiores  Não vemos qualquer linha ou perda de 17, então o composto não parece ser um álcool. Basicamente isto evidencia ser nosso composto um éter.  Existem algumas possibilidades, como podemos ver abaixo. 27 Os espectros de massa destes compostos apresentam basicamente as mesmas massas, porém o que diferencia são as abundâncias de cada íon. Para definirmos qual destes é nosso composto em estudo, precisaríamos estudar outros mecanismos de fragmentação, o que foge do escopo desta apostila. A resposta correta para o composto é etoxietano. 4 Exercícios de Fixação 1) Qual é o princípio da espectrometria de massas? 2) Faça um desenho esquemático de um espectrômetro de massas. 3) Assinale no espectro de massa abaixo, os seguintes termos usuais em ionização por eletrônica: pico base, pico do íon molecular, pico de fragmentos. 4) Identifique o composto acima. 5) O que vem a ser isótopo? 6) Complete o quadro abaixo Composto Água Metano Etano Propeno Benzeno Tolueno Amônia Ácido cianídrico Dimetilamina Pirrole Piridina Anilina Peso molecular Número de carbonos % “A + 1” 0,0 1,1 2,2 3,3 6,6 7,7 0,4 1,5 2,6 4,8 5,9 7,0 7) Descreva sucintamente a forma de normalizar as abundâncias isotópicas. 8) Descreva brevemente o funcionamento de analisador de massas do tipo quadrupolo. 28 9) Quais íons normalmente originados a partir de uma molécula neutra são identificados no detector de massas? 10) Os espectros gerados a partir de EI apresentam baixo ou alto grau de fragmentação? 11) Explique a regra do nitrogênio. 12) Aplique a regra do nitrogênio para os compostos abaixo. (não é necessário calcular a massa molecular – indique se é par ou ímpar) Composição molecular C 3H8 C6H12O2 C6H11NO C32H25N3O2S C8H20N2 C7H9N C3H6BrN C9H11ClN4O2 C17H32Cl2 Íon molecular é... 13) Aplique a regra dos anéis e dupla ligação para os compostos abaixo. Composição molecular C 3H8 C6H12O2 C6H11NO C32H25N3O2S C8H20N2 C7H9N C3H6BrN C9H11ClN4O2 C17H32Cl2 a+d = 14) Considere um radical formado a partir da quebra de um íon molecular par. A massa dos fragmentos deverá ser par ou ímpar? 15) Dadas a seguintes informações espectrais, determine a fórmula do composto. Você deverá assumir que o íon molecular é 84. ( ) C 5H8O m/z Abundância (%) ( ) C5H10N 84 100 ( ) C6H10 85 6,7 +/-0,7 86 0,0 +/-0,2 ( ) C6H12 29 16) Identifique o candidato a íon molecular que melhor se apresenta no espectro abaixo ( ) 62 ( ) 64 ( ) 98 ( ) 100 ( ) 102 17) Você está para identificar um composto no qual você sabe que ele pode conter somente carbono, hidrogênio e cloro. Baseado nas informações abaixo indique quantos átomos de cloro existem neste composto. m/z Abundância ( )1 M 46500 ( )2 M+2 61800 ( )3 M+4 31000 ( )4 M+6 6700 ( )5 M+8 570 M + 10 10 ( )6 18) Qual do átomos abaixo é um elemento “A + 2” ( ) carbono ( ) nitrogênio ( ) oxigênio ( ) fluor 19) Qual dos seguintes espectros abaixo é mais provável de ser um composto aromático? Justifique! ( ) espectro A ( ) espectro B ( ) nenhum deles ( ) não tem informação suficiente 30 20) Existe uma ordem em que os passos a serem seguidos na interpretação de espectros são importantes. Enumere a ordem mais sensata a ser seguida. ( ) encontrar o íon molecular, se possível ( ) propor as possíveis estruturas ( ) determinar a composição elementar ( ) Avaliar a aparência geral do espectro ( ) obter um bom espectro ( ) identificar as características estruturais 21) Para o espectro abaixo, determine qual linha deverá representar uma perda lógica de +C4H9 a partir do íon molecular 86. ( ) 71 ( ) 57 ( ) 43 ( ) 29 22) Identifique o compostos abaixo: a) 31 b) c) 74 –100% 75 – 4,62% 76 – 0,28% d) m/z abun. 16 999 15 887 14 204 13 106 12 38 17 16 32