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Unidad IV: Espectrometría de
Masas
Química Orgánica III
Primer Semestre 2016
Facultad de CC.QQ. Y Farmacia USAC
Identificación de un compuesto
Orgánico
Determinación de Propiedades
Físicas
•
•
•
•
•
•
•
Apariencia
Olor
Punto de fusión
Punto de ebullición
Densidad
Rotación específica
Índice de Refracción
Determinación de su fórmula
empírica
• Fusión con sodio para detectar
N, S y X
• Cálculo de la fórmula empírica
mediante el análisis por
combustión.
Identificación de un compuesto
orgánico
UV-Vis
• Transiciones electrónicas en
orbitales de valencia.
• Sistemas conjugados
(dienos, polienos y
carbonilos α,β-insaturados).
• Muy útil en cuantificación
IR
• Estiramientos y flexiones de
enlaces.
• Detección de grupos
funcionales.
Espectrometría de Masas
• A diferencia de las técnicas vistas con
anterioridad, en esta no hay interacción de la
radiación electromagnética con la molécula.
• Esta técnica se emplea para la determinación de
la composición de la muestra y la elucidación
estructural de la misma.
• Es una técnica destructiva, pero como se trabaja
con muy pequeñas cantidades de muestra, esto
no representa un inconveniente.
¿Qué información nos brinda?
• Masa molecular
• Fórmula molecular
• Estructura (patrones característicos de
fragmentación)
• Distribución de isótopos
• http://www.sciencemag.org/site/products/lst
_20060901.xhtml
¿En qué consiste un Espectrómetro de
Masas?
10-5-10-8 Torr
http://www.youtube.com/watch?v=J-wao0O0_qM
¿Qué es un espectro de masas?
Los resultados obtenidos del Espectrómetro de Masas se presentan como un gráfico
de barras que tabula % de abundancia relativa versus la relación masa/carga (m/z) de
los iones detectados.
¿Iones? ¿Cuáles iones?
• El espectrómetro de masas separa y detecta iones
positivos (cationes), que deben producirse a partir de
la muestra original por cualquiera de los siguientes
métodos:
• Impacto electrónico EI
1920
• Ionización química CI
1965
• Ionización de campo FI
1970
• Bombardeo con átomos rápidos FAB
1981
• Ionización por termoevaporación ESI
1985
• Desorción/ionización laser asistida MALDI-TOF
Ionización por impacto electrónico
70 ev equivalen a 1600 kcal
y solo se necesitan 60 kcal
para romper un enlace σ
Este es un catión
radical, se le conoce
como ion (o pico)
padre y representa el
peso molecular de la
muestra. Se
representa como M.+
H H
H C C H
H H
e-
+
H H
H C C H
H H
H H
H C C+
)+
(M-R2
Mass Spectrum (M-R
+
1)
M+
(M-R3)+
H H
H
H C+
H
H
C H
H
H
Ventajas y desventajas
• Ionización “dura” : se producen
fragmentaciones únicas y reproducibles,
formando una colección de fragmentos.
• Existen bibliotecas de estándares y se puede
predecir el patrón de fragmentación a partir
de la estructura y viceversa.
• Algunas moléculas formarán iones M.+ muy
inestables que se fragmentarán tan rápido que
no serán detectables.
Tipos de analizadores de masas
• Analizador de sector magnético
• Analizador de tiempo de vuelo
• Analizador de cuadrupolo
• Ciclotrón de iones FT
El analizador de masas determinará la
resolución del espectrómetro de masas.
Analizadores
• Operan a elevado vacío.
• Realmente miden la relación masa/carga (m/z)
de los iones, pero la mayoría de iones
producidos tienen carga +1.
• Las especificaciones clave son: resolución,
sensibilidad y precisión en la medición de
masa.
Mejor resolución  mayor precisión
Resolution =18100
8000
Error 15 ppm
Counts
6000
Resolution = 14200
Error 24 ppm
4000
Resolution = 4500
2000
Error 55 ppm
0
2840
2845
2850
Mass (m/z)
2855
Analizador magnético
Analizador magnético
• Puede utilizar un imán permanente o bien un
electroimán.
• El ángulo de la trayectoria de vuelo puede ser de
180°, 90° o 60°.
• E= zeV = ½ mv2 donde E es energía cinética, 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 energía cinética,
los mas pesados viajarán a velocidades menores.
Analizador magnético
• La trayectoria de los iones de una masa y
carga dadas, será un balance de las dos
fuerzas que actúan sobre ellos: fuerza
magnética (Fm= Bzev) y la fuerza centrípeta
(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
Analizador magnético
• En resumen, al variar el voltaje o el campo
magnético del analizador, es posible separar
los iones ya que cada uno tendrá un radio de
curvatura en su trayectoria en función de su
valor m/z.
• Generalmente el analizador magnético más
empleado es un analizador de doble enfoque,
que mejora grandemente la resolución.
Ventajas del analizador magnético
• Espectros “clásicos”.
• Gran reproducibilidad de resultados.
• El mejor desempeño cuantitativo de todos los
analizadores.
• Alta resolución.
• Alta sensibilidad.
• Rango de masa: 10,000.
Analizador magnético
Desventajas
Aplicaciones
• Operador altamente
calificado.
• Más grande y más caro que
los otros.
• Baja resolución MS/MS sin
analizadores múltiples
• Todos los métodos de
análisis para sustancias
orgánicas.
• Medidas de masa exactas.
• Mide la relación de
isótopos.
• Puede aplicarse a
cuantificación.
Espectro de masas del etanol
M-15
Pico base
M-1
Ion molecular
Pico padre
Cálculo de fórmula molecular: regla
del 13
• Basados en la presunción de que en la mayoría
de compuestos orgánicos estará presente la
unidad CnHn, que tiene una masa de 13 cuando
n=1, podemos calcular posibles fórmulas
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 número entero, 8, que nos
dará el número de carbonos en nuestra fórmula.
Cálculo de fórmula molecular: regla
del 13
• 13 x 8 = 104, entonces, si nuestra masa era 106
nos quedó un residuo de 2 al dividir 106 entre 13.
• Para determinar el número de hidrógenos en
nuestra fórmula: número de carbonos + residuo
• Entonces 8 + 2= 10 y nuestra fórmula tentativa
será C8H10.
• Al calcular el IDH de la fórmula obtenemos 4, que
es un número entero, así que nuestra fórmula es
factible para un compuesto real.
¿Y si hay heteroátomos?
• Si se conoce cuál es el heteroátomo presente,
se resta su masa de la del ion molecular, y se
sigue el procedimiento anterior.
• Para cada CH hay heteroátomos equivalentes,
que se muestran en la diapositiva siguiente, y
que pueden considerarse cuando se va a
proponer una fórmula molecular sin conocer
previamente un análisis elemental cualitativo.
Element
CH
Equivalent
Element
CH
Equivalent
1H
12
C
31P
C2H7
16O
CH4
32S
C2H8
14N
CH2
16O32S
C4
16O14N
C2H6
35Cl
C2H11
19F
CH7
79Br
C6H7
28Si
C2H4
127I
C10H7
Regla del 13
• Entonces, nuestras posibles fórmulas para un
compuesto con masa 106 pueden ser:
• C8H10 IDH 4
• C7H6O IDH 5
• C7H8N IDH 4.5
• C2H3Br IDH 1
• En todos los casos en que IDH es un número
entero, se trata de fórmulas factibles.
Isótopos
• La mayoría de elementos ocurren de forma
natural como una mezcla de isótopos.
• La presencia (significativa) de isótopos más
pesados produce la aparición de picos con una
masa superior a M.+
• M+1 es un ion con una uma más que el ion
molecular
• M+2 es un ion con dos uma más que el ion
molecular.
Abundancia relativa de isótopos
Elementos fácilmente reconocibles en EM
Iodo: monoisotópico, pico importante a m/z
127 que corresponde a I+
Gran espacio
ICH2CN
I+
M+
Bromo: M+ ~ M+2 (50.5%
81Br)
79Br/49.5%
2-bromopropano
M+ ~ M+2
Cloro: M+2 es ~ 1/3 de M+
Cl
M+
M+2
¿Y si hay más de un halógeno
presente?
Halogen
Br
Br2
Br3
Cl
Cl2
Cl3
BrCl
Br2Cl
Cl2Br
M
100
100
100
100
100
100
100
100
100
M+2
97.7
195.0
293.0
32.6
65.3
97.8
130.0
228.0
163.0
M+4
M+6
95.4
286.0
93.4
10.6
31.9
31.9
159.0
74.4
3.47
31.2
10.4
Br
Br
MW = 234
Azufre:M+2 más grande que lo usual
(4% de M+)
S
M+
M+2
inusualmente
grande
Nitrógeno: masa molecular impar
= número impar de átomos de N
+
M = 41
CH3CN
Cuando se observa un M+. con masa impar, se asume que hay un
número impar de átomos de nitrógeno. Fórmulas moleculares
posibles para M+. = 121 son:
121/13 = 9, R = 4  C9H13; IDH = 3.5 así que no puede ser M+.
Recordar que O = CH4; N = CH2, entonces al recalcular
C9H13 – CH2 + N = C8H11N; IDH = 3, la fórmula es factible
C9H13 – 2(CH2) + 2N = C7H9N2; IDH = 4.5 NO es factible
C9H13 – 3(CH2) + 3N = C6H7N3; IDH = 5, la fórmula es factible
C9H13 – (CH2) – (CH4) + N + O = C7H7NO IDH = 5, fórmula factible
Espectros de alta resolución
• Un espectrómetro de masas de baja resolución, no
proporcionará suficiente información como para distinguir
de forma precisa la fórmula 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
Espectros de alta resolución
• En un espectrómetro de alta resolución, se
pueden medir las masas precisas de los
elementos:
C3H8O = 60.05754
C2H8N2 = 60.06884
C2H4O2 = 60.02112
CH4N2O = 60.03242
Patrones de fragmentación
• El impacto de la corriente de electrones, además de
producir el ion molecular (radical catión), provoca
fragmentaciones de la molécula, comúnmente, un
catión y un radical. Puede formarse también un catión
y una molécula neutra, generalmente mediante
reordenamientos.
• Los enlaces se romperán para producir el catión más
estable.
• La estabilidad del radical es menos importante.
• Los fragmentos pueden reordenarse si de esta manera,
aumentan su estabilidad.
CH3-CH2-O-H
Patrones de fragmentación
Carbocatión más estable = fragmentación más fácil
CH3+ < RCH2+ < R2CH+ < R3C+ < CH2=CH-CH2+ < C6H5-CH2+
Patrones de fragmentación
• Fragmentaciones que involucran dos enlaces
Reordenamientos
• Reordenamiento McLafferty
H
H
.
Z +
Z +
.
CH2
CH2
Z
R
Z
R
• Retro Diels-Alder
+
.
CH2
CH2
+.
+
CH2
CH2
Reglas de fragmentación
• La intensidad de M.+ es mayor para
compuestos lineales que para ramificados.
• La intensidad de M.+ disminuye al aumentar el
peso molecular (los ácidos grasos son una
excepción)
• La fragmentación se da en el punto de
ramificación, reflejando la estabilidad del
carbocatión.
Reglas de fragmentación
• Anillos aromáticos, ciclos y dobles enlaces
estabilizan M.+
• Un alqueno se fragmentará para producir un
carbocatión alílico.
• Anillos saturados ramificados, favorecerán la
fragmentación perdiendo la cadena lateral.
• Anillos insaturados se fragmentarán siguiendo
un mecanismo retro Diels-Alder
Reglas de fragmentación
• Anillos aromáticos con cadenas laterales, se
fragmentarán para producir un carbocatión
bencílico que se reordena a un catión tropilio
(aromático) muy estable, de m/z 91.
• Los enlaces C-C próximos a un heteroátomo se
fragmentan de tal manera que se transfiere la
carga + al heteroátomo:
x
R
CH2
CH2
Y
R
Reglas de fragmentación
• La pérdida de moléculas 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.
Alcanos
La fragmentación se da por pérdida de grupos alquilo simples:
Pérdida de metilo: M+ - 15
Pérdida de etilo: M+ - 29
Pérdida de propilo: M+ - 43
Pérdida de butilo: M+ - 55
Los alcanos ramificados se fragmentarán para producir el carbocatión más estable
Alcanos
Alquenos
Arenos
H
H C Br
H
H C
M+
Aromáticos
77
NO2
77
M+ = 123
CH2
I.
m/z=91
m/z = 162
HC CH
HC CH
m/z=65
m/z=39
H2
C
II.
m/z=91
CH2
CH2
H
CH
H
H
m/z = 162
m/z=92
HC CH
C 6H 9
III.
m/z = 162
m/z=77
m/z=51
Alcoholes
• Se fragmentan fácilmente, por lo que M.+ es
pequeño o a veces, está ausente.
• Presentan un pico a M -1 por pérdida de un
átomo de hidrógeno, y picos a M – 18 y M -17 por
pérdida de agua o .OH.
• Comúnmente pierden un grupo alquilo unido al
carbono carbinol, para formar un ion oxonio.
• Alcoholes primarios presentan un pico
prominente a m/z 31 correspondiente a CH2=OH+
CH3CH2CH2OH
H2C OH
M+-18
M+
M+-1
I.
R1
R2
C
OH
 R3
R1
C
OH
R2
R3
m/z: 31,59,73,......
H
II. RHC
H OH
OH
CH2
RHC
C
H2 n
CH2
- H2O
RHC
C
H2 n
(CH2)n
H
O+
H
CH2 - H2C CH2
III.
RHC
CH2
CH2
R
H2C
H2
C C
H
C
H
H
- H2O
CH2
H2C CH R
M - (Alkene + H2O)
- H2C
CH2
CH2
R
CH2
H2
C CH
or
RHC
CH2
(CH2)n
Éteres
• Ruptura en α para producir un ion oxonio:
• Pérdida de un grupo alquilo formando un ion
oxonio:
• Pérdida de un grupo alquilo formando un carbocatión
H O CH2
CH3CH2O CH2
H O CHCH3
(CH3CH2OCH2CH3)
Aminas
• Si solamente hay un grupo amino en la
molécula, el ion molecular tendrá m/z impar.
• Al igual que los alcoholes y éteres forman
cationes oxonio, las aminas pueden formar
cationes imonio:
[RCH2NH2 ].+ RCH=NH2+ + H.
[RCH2NHR´].+  (CH2=NHR´)+ + R.
H3C CH2 NH
84
% OF BASE PEAK
100
M-29
90
80
70
60
70
41
M=113
50
40
27
30
56
113(M )
20
10
0
0
10 20
30 40 50 60 70 80 90 100 110 120
Aminas
CH3
N
CH2
CH3
CH3
CH2
CH2
CH3
86 M-43
44
100
% OF BASE PEAK
CH
90
80
70
60
M-15
50
58
114
40
30
20
10
0
129(M )
29
0 10 20 30 40 50
60 70 80
90 100 110 120 130 140
Aldehidos
Cetonas
Ácidos Carboxílicos
Sufren reordenamiento McLafferty
60
O
OH
Ésteres
Sufren reordenamiento
McLafferty
74
O
O
CH3
OH
CH2
C OCH3
Amidas