23/05/2013

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ESPECTROMETRIA DE MASSAS

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Histórico da Espectrometria de Massas

1886 - Descobrimento dos íons positivos por Goldstein.1898 - Wien (Prêmio Nobel de 1911) analizou íons positivos por deflecção magnética.1901 - Kaufmann analisou raios catódicos usando campos eletromagnéticos paralelos.1911 - J. J. Thomson que descobriu duas massas diferentes do Neônio (20 e 22)1913 - Thomson também fez a primeira observação de dissociações de íons moleculares no curso da colisãode gases (CID)1918 - Dempster desenvolveu o primeiro espectrômetro de massas com setor magnético com formato de180o em direção ao foco1919 - Aston estudante de Thomson desenvolveu o primeiro espectrômetro comercial1930 - Conrad aplicou pela primeira vez espectrometria de massas em química orgânica. A primeira separaçãoisotópica foi feita por Smyle Rumbaugh e Westisotópica foi feita por Smyle, Rumbaugh e West1948 - Cameron descobriu a medida de tempo de voo de íons como princípio de análise (TOF)1953 - Paul (Prêmio Nobel de 1989) desenvolveu o analisador quadrupolar que usa campos elétricos para focalizar eseparar íons.1956 - Primeiro acoplamento de cromatografia gasosa com um espectrômetro de massas1966 - Munson e Field descobriram a ionização química1969 - Malcom Dole, idealizou pela primeira vez a ionização por “eletrospray”1973 - Cooks, desenvolveu o Tandem MS/MS ou espectrometria de massas sequencial de duplo estágio1978 - Yost e Enke desenvolveram Primeiro Triplo quadrupolo1979 - Comisarow e Marshall adaptaram um ano depois os métodos de transformada de Fourier à ICRMS econstruíram o FTMS1981 - Barber, desenvolveu o FAB1983 - Blakely, Desenvolvimento do “Termospray”1985 - Henkamp e Karas, desenvolveram a técnica de MALDI-MS1988 - Fenn desenvolveu o “Eletrospray” ligado ao espectrômetro de massas 2

A espectrometria de massa (EM) é uma técnica analíticainstrumental utilizada para a análise, em fase gasosa, deátomos ou moléculas de uma amostra que são ionizados eseparados de acordo com a razão massa/carga quandosubmetidos a condições específicas de um campo elétricoe/ou magnético.

É té i l t tili d l í iÉ uma técnica largamente utilizada pelos químicos naanálise de moléculas de diversas massas molares (μg-pg). Éuma técnica destrutiva.

A grande sensibilidade do método faz com que sejarotineiramente usado na análise de substâncias em baixaconcentração, como no caso do doping, controle dealimentos e medicamentos, contaminação ambiental, entremuitas outras aplicações. 3

Determinação da massa molecular;

Caracterização estrutural;

Estudo da reatividade em fase gasosa;

Análise qualitativa e quantitativa dos componentes de umai t lmistura complexa;

Estrutura de compostos inorgânicos, orgânicos e biológicos;

Estrutura e composição de superfície sólida;

A razão isotópica de átomos na amostra.

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Interdisciplinar

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Componentes do Espectrômetro de Massas

Espectro de Massas7 8

Introdução da amostra

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GC- Cromatografia gasosa(Compostos voláteis e termoestáveis)

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LC-MS

Lixo, PDAou coletorde frações

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amostra

feixe deelétrons

filamentomoléculas neutras,

fragmentos neutros eíons negativos

magneto

amostra

feixe deelétrons

filamentomoléculas neutras,

fragmentos neutros eíons negativos

magneto

Pode fornecer PM e FM das substâncias

moléculasneutras

magneto

tubo analisador

íons carregados positivamente(defletidos de acordo com m/z)

saída dos íons

coletor

registro

aceleradoresplaca de repulsão

moléculasneutras

magneto

tubo analisador

íons carregados positivamente(defletidos de acordo com m/z)

saída dos íons

coletor

registro

aceleradoresplaca de repulsão

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Etapas

Bombardeamento das moléculas por um feixe de elétrons de alta energia

Aceleração dos íons em um campo elétrico ou magnético e separação pelarazão massa/carga

Detecção dos íons com determinada razão massa/carga

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Ionização

Formação de íons positivos

Remoção de um elétron

M + e M+. + 2e

M+. (Íon molecular) é expressa por m/z.

Massa (m) e Carga (z)

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Tipos de analisadores

Deflexão em campo magnético (impacto de elétrons – EI)

Quadrupolo

Tempo de Voo (TOF)p ( )

Analisador Trap Iônico (ion trap)

EM/EM

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Tipo de analisador

Na técnica de impacto de elétrons (EI) – comumente a mais usada, as moléculasgaseificadas são bombardeadas com um feixe de elétrons (70 eV) de alta energia eaceleradas. Após a ionização, as espécies carregadas passam por um campomagnético, onde são defletidas de acordo com a razão massa/carga (m/z) para umtubo analisador e detectadas.

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Quadrupolo

1. Quatro bastões sujeitos a uma DDP (quadrupolo)2. Geração de um campo eletrostático oscilante3. Íons atravessam na direção Z4. Íons com certo m/z têm oscilação estável de amplitude constante (atingem o detector)

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TOF (Time of Flight)

Após ionizada, a amostra entra no tubo e a separação é feita baseado na diferençade velocidade entre as partículas.

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Compacto & robusto

Funcionamento similar ao quadrupolo

Capacidade de efetuar MS tandem temporal

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Informações do Espectro de Massas

Separação dos íons pela razão massa/carga

Pico do íon molecular

Pico do íon base (100%)Pico do íon base (100%)

Padrão de fragmentação

Razão isotópica

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Processos de Ionização

Nome e Sigla Agente ionizante

Fase Gasosa Impacto Eletrônico (EI)Ionização Química (CI)Ionização de Campo (FI)

Elétrons energéticosÍons gasososEletrodo alta voltagem

Dessorção Dessorção de Campo (FD)Ionização electrospray (ESI)Ionização/dessorção à laser assistido por matriz

Eletrodo alta voltagemAlto campo elétricoFeixe de laserIonização/dessorção à laser assistido por matriz

(MALD/I)Bombardeamento de átomos rápidos (FAB)Ionização termospray (TS)

Feixe de laser

Feixe átomos aceleradosAlta temperatura

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Teoria da Técnica

• Fonte de íonsConsiderações importantes

energia interna e as propriedades físico-químicas da amostra

Compostos voláteis Compatíveis com EIMS e CIMSe termicamente estáveis

Compostos não-voláteis

Fontes diretas líquida Fontes diretas sólida

Analito em solução Analito em um depósito não-volátil (Matriz)

ESIMS; TermosprayMS e APCIMS MALDIMS; PDMS; FDMS; SIMS e FABMS 22

Ionização à Pressão Atmosférica (API)

Ionização Electrospray (ESI)Ionização Química à Pressão Atmosférica (APCI)

Informação sobre a massa molecular (MM) das moléculas, inclusivegrandes biopolímeros.

Sensível; MM obtida com concentrações baixas de analitosSensível; MM obtida com concentrações baixas de analitos.

A técnica é compatível com moléculas voláteis, não voláteis, polares eapolares.

Excelente para confirmação de compostos conhecidos.

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Ionização por Electrospray (ESI)

Ionização à pressão atmosférica e temperatura ambiente

Aplicação de campo elétrico de vários kV promove a ionização dasgotículas do spray

Um contra fluxo de gás secante reduz o tamanho das gotículas até o seucolapso eletrostático

Produção de íons com elevado número cargas

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Ionização Química à Pressão Atmosférica (APCI)

Similar a ESI

Indicado para obtenção de MM de compostos conhecidos(confirmação de síntese de biblioteca combinatória), porém induçãode fragmentação também é possível

Compatível com grande faixa de fluxos de fase móvel

Robusto para desenvolvimento de método

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Principais Diferenças entre APCI e ESI

Devido ao uso de aquecimento, APCI pode produzir algumafragmentação, enquanto que ESI pode até formar alguns íonspseudomoleculares.

APCI não produz cargas múltiplas, portanto não é adequado paracompostos de alta MM.

APCI tende a render melhor sensibilidade para solutos menos polares.

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Dessorção/Ionização à Laser Assistida com Matriz (MALD/I)

Processo de ionização branda.

Apropriado para biomoléculas de elevado peso molecular.

Pulso de laser incide sobre uma amostra cocristalizada com uma matrizapropriada - derivados de ácidos benzóicos.

Análise proteômica.

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Impacto Eletrônico ou Ionização por Elétrons (EI)

A amostra passa por uma “cortina” de elétrons acelerados por um campo de 70 eV

E = 70 eV ≈ 7 × 103 kJmol-1

Energia de ligação típica ≈ 200 - 600 kJ mol-1Energia de ligação típica 200 600 kJ mol

Fragmentação

M(fase vapor)

feixe de elétrons(70 eV) M+ + 1 e

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Vantagens

Alta produção de íons - boa sensibilidade

Fragmentação auxilia na identificação

Desvantagens

Requer amostra volátil

Pico íon molecular nem sempre é evidente

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Íons moleculares se quebram em outros fragmentosmenores (cátions, radicais, moléculas neutras ou outroscátions radicais).

M

Prioridade de quebra ligações mais fracas e quegeram produtos mais estáveis.

C R N M2C R N M2

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Picos no EM:Picos no EM:

Pico do íon molecular (M+)

• Fornece a massa molecular.

• Nem sempre é observado usar ionização química (CI) nesses casos.

• Intensidade depende da estabilidade.

• Compostos que fornecem M+ mais intensos:aromáticos alcenos conjugados compostos cíclicos sulfetos orgânicos

alcanos lineares de cadeia curta tióis

• Compostos com M+ que podem ser observados:cetonas aminas ésteres éteres ácidos carboxílicos aldeídos amidas haletos

• Compostos com M+ que não são frequentemente observados:alcoóis alifáticos, nitritos, nitratos, nitrocompostos, nitrilas e compostos

muito ramificados. 32

Pico base

• Pico de maior intensidade abundância relativa de 100%. • Demais picos percentual do pico base.

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Ionização química (CI)

Gera um pico M+H intenso com pouca fragmentação.

Amostra vaporizada é introduzida no aparelho com excesso de gás reagente(geralmente o metano).

Pico [M + H]+ (íons pseudomoleculares) geralmente intensos porque são menosenergéticos e, consequentemente, ocorre menos fragmentação.

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Gás Reagente Íon Reagente Íon Analítico Observações

H2 H3+ [M+H]+ Produz fragmentação

significativa.

CH4 CH5+, C2H5

+ [M+H]+, [M+C2H5]+ Grau menor de fragmentação. Pode formar adutos.

NH3 NH4+ [M+H]+, [M+NH4]+ Ionização seletiva, NH3 NH4 [M H] , [M NH4] ç ,

pouca fragmentação e formação de adutos.

(CH3)3CH (CH3)3C+ [M+H]+, [M+(CH3)3C]+ Brando, protonação seletiva, pouca fragmentação.

CH3OH CH3OH2+ [M+H]+ Grau de fragmentação

observado entre o metano e o isobutano.CH3CN CH3CNH+ [M+H]+

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INTERPRETAÇÃO DE ESPECTROS DE MASSAS

Espectro de massas massa da molécula e de seus fragmentos;

Forma barra-gráfico eixo X indica a massa (m/z)eixo Y indica a intensidade relativa;

Apresentam picos adicionais devido ao ruído de fundo do instrumento (compostosque são dessorvidos das paredes do instrumento)

Interpretação é baseada na química de íons gasosos;

A massa e a abundância relativa do íon molecular indica o tamanho e aestabilidade da molécula;

O número de íons abundantes e sua distribuição na escala de massas sãoindicativos do tipo de molécula e dos grupos funcionais presentes.

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Íon Molecular

M+. - informação mais valiosa de um espectro de massa; sua massa e composiçãoelementar.

Para determinados tipos de moléculas, o íon molecular não é suficientemente estável paraser encontrado em quantidades apreciáveis no espectro por impacto de elétrons;

Deve ser o íon de maior massa no espectro;

Dever ser um íon com número ímpar de elétrons;

Deve ser capaz de gerar íons importantes na região de massa alta do espectro pela perdalógica de espécies neutras no espectro por IE, a amostra se ioniza pela perda de umelétron, deixando um elétron desemparelhado, e o íon molecular se torna uma espécieradicalar. Tal íon, molecular ou fragmento, com um elétron desemparelhado édenominado OE e é representado pelo símbolo +.

Facilidade de ionização destes elétrons se encontra na ordem n > π > σ

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Regra do elétron par: Íons contendo somente elétrons emparelhados (EE+) sãogeralmente mais estáveis e consequentemente são fragmentos mais abundantes nosespectros de IE.

Cátion radical elétron ímpar, desemparelhadoCátion elétron par

Molécula neutra elétron par

Abundância do íon molecular X estrutura:

[M+.] - depende da sua estabilidade ;[M+.] - é um indício da estrutura molecular;[M+.] - usualmente aumenta com o aumento de insaturações e número de anéis;[M+.] - usualmente diminui com o aumento do tamanho da cadeia de umaestrutura;[M+.] - diminui com as ramificações

Em geral, a estabilidade da molécula se assemelha a estabilidade do íon M+., e érefletido na abundância do M+. .

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Apresentação do Espectro

• O espectro de massas é apresentado na forma de um gráfico que ilustra a abundância relativa de íons de massa m/z.

• O íon mais abundante formado durante o processo de ionização dá origem aopico mais abundante – o pico base do espectro

Pico base, m/z 43

39

• As intensidades de todos os outros picos do espectro são indicadas comoporcentagem do pico base.

• Se a molécula da amostra perde somente um elétron durante o processo de ionização, observa-se o pico do íon molecular no espectro - M+

M+, m/z 114

40

• Quando a molécula da amostra perde um elétron de valência adquire umaenergia muito alta, suficiente para que ocorram quebras de ligações, dandoorigem a moléculas menores – íons fragmento.

• Assim, o espectro de massas indica a presença do pico do íon molecular (quando este aparece) e dos picos dos íons fragmento carregados – fragmentosneutros não são registrados !

Íons fragmento

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Estabelecimento da massa molecular

1. Quando o pico do íon molecular M+. é observado, este indica a massa molecular– desde que todos os outros átomos da molécula apresentem suas formasisotópicas mais abundantes

2. IMPORTANTE: o átomo de carbono (C) é uma mistura de isótopos 98.9%12C (massa 12), 1.1% 13C (massa 13) e <0.1% 14C (massa 14)

3 N b l iódi i di d á d b i di édi3. Na tabela periódica, a massa indicada para o átomo de carbono indica a médiaponderada da massa do carbono levando em conta todos seus isótopos

4. Assim, o espectrômetro de massas irá indicar o pico de íon molecular M+. comoaquele constituído somente por átomos de 12C, e um pico de íon molecular (M +1) de intensidade nC x 1.1%

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ElementoElemento Abundância NaturalAbundância NaturalM M + 1 M + 2 M + 4

Carbono12C

98,89%

13C 1,11%

Hidrogênio1H

99,99%

2H0,01%

Nitrogênio14N

99,64%

15N0,36%

Oxigênio16O 17O 18O

Oxigênio99,76% 0,04% 0,20%

Enxofre32S

95,0%

33S0,76%

34S4,22%

36S 0,02%

Flúor19F

100%

Cloro35Cl

75,77%

37Cl24,23%

Bromo79Br

50,69%

81Br49,31%

Iodo127I

100%43

• Algumas moléculas são bastante “frágeis”, e seus picos de íon molecular M+.

não são observados, pois se fragmentam rapidamente em extensão muito alta –para confirmar a presença do íon molecular pode-se diminuir a voltagem do feixe de elétrons (se a ionização é feita por impacto de elétrons)

• Observa-se três características para o pico do íon molecular:

1) Este deve ser o pico de maior massa do espectro – a não ser que existamimpurezas presentesimpurezas presentes

2) O íon deve apresentar um número ímpar de elétrons – cátion radical (M+.)

3) O íon molecular forma íons-fragmento observando regras básicas de fragmentação.

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• A Regra do Nitrogênio é outra maneira de se confirmar a presença doíon molecular.

• Se a molécula da amostra apresenta um número ímpar de átomos denitrogênio, deve necessariamente apresentar massa ímpar (pois onúmero de valência do N é ímpar)

• Se a molécula da amostra apresenta um número par de átomos denitrogênio, ou não tem átomos de nitrogênio em sua estrutura, suamassa deve necessariamente ser par.

• Se a molécula apresenta átomos de cloro ou de bromo em sua estrutura,irá apresentar picos de íon molecular característicos, uma vez que clorotem dois isótopos (35Cl e 37Cl) e o átomo de bromo também (79Br e81Br).

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Índice de Deficiência de Hidrogênio (IDH)

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Espectrometria de massas de alta resolução (HRMS)

1. Se o aparelho no qual se obtém o espectro apresenta boa resolução (R > 5000),os números de massas podem ser obtidos com alta precisão (6 a 8 casadecimais)

2. Utilizando-se tabelas de massas exatas de todas as fórmulas possíveis, épossível se comparar a massa exata de um determinado íon, medido noaparelho, com a massas exata de um íon com uma composição isotópicaprecisa.

Exemplo: A medida de HRMS indica uma massa exata de 98.0372; para íons demassa 98:

C3H6N4 98.0594

C4H4NO2 98.0242

C4H6N2O 98.0480

C4H8N3 98.0719

C5H6O2 98.0368 fórmula de massa exata mais

C5H8NO 98.0606 próxima

C5H10N2 98.0845

C7H14 98.109647

O espectro de massas e análise estrutural

Razões isotópicas

1. Se o pico do íon molecular M+. pode ser observado com intensidade suficiente, pode ser obtida a fórmula molecular da molécula da amostra

2. Por exemplo, o etano C2H6 – no seu espectro de massas (EM) será observado o íon M+. em m/z 30:

(2 x 12C) + (6 x 1H) = 30

• Todavia, 1,10% de todo os carbono da natureza é 13C – logo, haverátambém 13C na molécula do etano natural (2 x 1,1% ou 2,2%)

• Logo, no espectro de massas do etano será também observado um pico emm/z 31 de intensidade 2,2% da intensidade do pico do íon molecular M+. -denominado pico M+1

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• Também existem 6 átomos de hidrogênio na molécula do etano, sendo que0.016% de todo o hidrogênio da natureza é deutério (2H). Logo, no etanohaverá 6 x 0.016% = 0.096% de deutério.

• Considerando a presença de 13C e de 2H, a intensidade do pico do íonmolecular +1 (M + 1) será (0.096% + 2.16% = 2.26%)

• Porém a probabilidade de uma mesma molécula de etano apresentar dois• Porém, a probabilidade de uma mesma molécula de etano apresentar doisátomos de 13C é muito pequena – (1.08% x 1.08%)/100 = 0.01% -negligenciável, mas se o pico do íon molecular for grande, será observadoo M+2.

3. Todavia, se a molécula apresentar outros átomos (O, N, S, Cl, Br), a ocorrênciados isótopos naturais destes átomos irá alterar consideravelmente a contribuiçãodos intensidades dos picos M+1 e M+2 para o “conjunto de íons moleculares”

49

5. Para moléculas muito grandes, M+1, M+2, M+3… são significativos

Se o número de átomos de carbono em uma molécula for maior que 100, a probabilidade de ter átomos de 13C é: 100 x 1.10% = 110%!

Nestes casos, os picos dos íons M+2, 3, … são cada vez mais intensos

Pico de íon molecular de um peptídeo contendo 96 C – o pico M+1 é quase tão intensoquanto M+.

M+

M+1

M+2

M+3

50

51

Por exemplo, o pico do íon molecular da insulina (257 átomos de C):

M lé l

Este pico indica que cada molécula de insulina contém pelo menos 3 átomos de 13C

Moléculas somente com 12C são raras

52

6. Para moléculas com átomos de Cl ou Br, os picos dos isótopos sãocaracterísticos:

a) Para ambos Cl e Br, o isótopo M+2 é dominante sobre M+1:

35Cl correponde a 75.77% e 37Cl a 24.23% de todos os átomos de Clda natureza

79Br corresponde a 50.52% e 81Br a 49.48% de todos os átomos de Clda natureza

b) S lé l é ú i á d Cl ê i d i db) Se uma molécula contém um único átomo de Cl, a aparência do pico doíon molecular será:

m/e

rela

tive

ab

un

dan

ce

M+

M+2

O pico M+2 terá abundância relativa de 24% do pico M+

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c) Se uma molécula contém um único átomo de Br, a aparência do pico do íon molecular será:

ativ

e ab

un

dan

ce

M+ M+2

Os picos M+ e M+2 apresentarão praticamente a mesma intensidade

• A presença de mais átomos de Cl e Br determinará o “formato” do “cluster” de íon molecular.

6. Compostos com enxofre fornecem picos M+2 de 4% de intensidade relativa do M+., e silício 3%

m/e

rela

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ElementoElemento Abundância NaturalAbundância NaturalM M + 1 M + 2

Cloro35Cl

75,77%

37Cl24,23%

Bromo79Br

50,69%

81Br49,31%

% (M+2)

% (M+4)

% (M+6)

Br 97,7Br2 195,0 95,5Br3 293,0 286,0 93,4Cl 32,6Cl2 65,3 10,6Cl3 97,8 31,9 3,47

BrCl 130,0 31,9Br2Cl 228,0 159,0 31,2BrCl2 163,0 74,4 10,4

M = 100%

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Binômio de Newton (a + b)m

a = abundância relativa do isótopo mais leveb = abundância relativa do isótopo mais pesadom = nº de átomos do elemento presente na molécula

Dicloro derivados:

35Cl (100%) 3 (a + b)2 = 32 + 2(3)(1) + 12Cl (100%) 3 (a + b) = 3 + 2(3)(1) + 137Cl (32,6%) 1 9:6:1 = 100:67:11

Dibromo derivados:

79Br (100%) 1 (a + b)2 = 12 + 2(1)(1) + 12

81Br (97,7%) 1 1:2:1 = 100:200:100

56

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Fragmentação

A colisão de um elétron com alta energia com as moléculas da amostra provoca não somente aperda de um elétron, mas também transfere momento (energia cinética) para o íon que se forma.

A energia transferida aumenta significativamente a energia vibracional das ligações, levando àquebra destas e formando fragmentos.

O tempo entre a ionização e a detecção é da ordem de 10-5 seg.

Logo,

Se uma molécula permanece intacta entre a ionização e a sua detecção, ou seja, por um períodomaior que 10-5 seg., será observado o seu pico M+.

Se uma molécula sofre quebra de ligações muito mais rápido, o íon molecular será muito menosintenso (podendo não surgir), levando apenas à formação de fragmentos.

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4. Devido à baixíssima concentração de moléculas da amostra na câmara deionização, todos os processos de fragmentação são unimoleculares.

5. A fragmentação de moléculas que tem deficiência de 1 elétron (M+.)resulta na quebra homolítica de ligações um fragmento será um cátion eo outro será um radical.

6. Somente íons carregados positivamente são observados; a perda defragmentos neutros é inferida pela massa dos íons fragmentoformadosformados.

7. Os processos de fragmentação seguem reações que levam a espécies asmais estáveis possíveis do ponto de vista termodinâmico reaçõesorgânicas

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Representação do íon molecular: carga deslocalizada ou localizada.

ou ou

R OR' ou R O

R'

R Br ou R Br

As fragmentações podem ser homolíticas ou heterolíticas.

R Br

R OR' R +

OR'

R + Br

(homolítica)

(heterolítica)

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RREGRASEGRAS GGERAISERAIS DEDE PPREVISÃOREVISÃO DOSDOS PPICOSICOS MAISMAIS IINTENSOSNTENSOS

DEDE UMUM EM EM PORPOR IEIE

•M+ mais intenso em compostos de cadeia linear

ramificação intensidade

•Intensidade de M+ com o aumento do PM (série homóloga)

•Carbono ramificado processo de quebra favorecido

ramificado provável é a quebra (estabilidade dos carbocátions)

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Clivagem de ligações :

a. Clivagem C-C

C C C C+

b. Clivagem C-heteroátomo

C Z C Z+

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Clivagem de ligações :

c. Clivagem- de C-heteroátomo

C C Z C C Z+

C C Z C C Z+

C C Z C Z+ C

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•Ligações duplas, estruturas cíclicas e, especialmente, anéis aromáticos estabilizam o M+

•Ligações duplas quebra alílica (carbocátion estabilizado por ressonância)

•Anéis saturados perdem a cadeia lateral, na ligação , como radicais

•Anéis insaturados sofrem retro-Diels-Alder

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Eliminação de H vicinal e de heteroátomo:

Clivagem das ligações C–C próximas a heteroátomos carga no fragmento quecontém o heteroátomo (estabilização por resonância).

C C Z Z+ HH

C C

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Rearranjos e clivagens- de duas ligações :

Rearranjo de McLafferty

Outros tipos de fragmentação são menos comuns mas podem ocorrer em casos maisOutros tipos de fragmentação são menos comuns, mas podem ocorrer em casos mais

específicos

Incluem: fragmentações a partir de rearranjos, migrações de átomos ou grupos, e

fragmentações de fragmentos.

As quebras estão relacionadas à eliminação de moléculas pequenas, neutras e

estáveis, muitas vezes por rearranjo (Ex: CO, H2O, NH3, H2S, HCN, ROH)

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•Alquilbenzenos quebra da ligação (estabilização por ressonância)

• Quebra simples (sem rearranjo)M+ de m/z par íon de m/z ímparM+ de m/z ímpar íon de m/z par• Quebra simples (com rearranjo de 1 H)M+ de m/z par íon de m/z parM+ de m/z ímpar íon de m/z ímpar• Regra do nitrogênioM+ de m/z par número par de N (0, 2, 4, ...)M+ de m/z ímpar número ímpar de N (1, 3, 5, ...)

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Atenção para os seguintes pontos:

– A regra do número de elétrons : “a termodinâmica dos processos defragmentação indica que um fragmento com número de elétrons par nãopode se fragmentar em fragmentos com número de elétrons ímpar.”

– Perdas de massa de 14 (CH2) são raras (mas ocorrem!)

– A ordem de estabilidade dos carbocátions/radicais é sempre

benzílico/3° > alílico/2° > 1° > metila > H

* A perda da cadeia de carbono maior será preferencial

– A estabilidade do íon (cátion) será predominante sobre a estabilidadedo radical

68

Alil > 3º > 2º > 1º > vinil69

1. Alcanos

a) Previsível – considerar estabilidade dos carbocátions (e radicais) parapredizer a fragmentação esperada

b) Fragmentação C-C.

c) Governada pela Regra de Stevenson – o fragmento mais estável (de menorenergia) ficará carregado positivamente (cátion) – o fragmentoenergia) ficará carregado positivamente (cátion) o fragmentoremanescente ficará na forma de radical. Exemplo: isobutano

70

Íons fragmento : alcanos

• O íon molecular M+ é sempre observado para alcanos lineares

• Íons observados: agregados de picos CnH2n+1 bem como perdas de

-CH3, -C2H5, -C3H7, etc.

• Fragmentos radicalares: ·CH3, ·C2H5, ·C3H7, etc.

• Em cadeias lineares, frequentemente os picos em m/z 43 e 57 são osmais intensos.

71

Exemplo: n-heptano

43

M+.

57

72

23/05/2013

13

Íons fragmento : alcanos ramificados

• Quando existir a possibilidade da formação de carbocátions 2° e 3°, a molécula será muito suscetível à fragmentação.

• Enquanto que em alcanos lineares a formação de carbocátions 1° é sempre observada, em alcanos ramificados estes sinais diminuem de intensidade.

• Sinais de íons moleculares M+ tendem a diminuir ou até mesmo a desaparecer em alcanos ramificados grandes.

• Sinais em m/z 43 e 57 continuam sendo os mais comuns, uma vez queestes se referem aos íons iso-propílico e tert-butílico.

73

Exemplo: 2,2-dimetilhexano

5757

74

Íons fragmento: cicloalcanos

• Normalmente observa-se picos de íons moleculares intensos

• A clivagem de duas ligações levando à formação do fragmentoneutro eteno (C2H4) é comumente observada – Perda de 28

• Cadeias ligadas ao(s) sistema(s) cíclico(s) sofrem fragmentaçãofacilmente.

75

Ciclohexano

+

M+. 84

M - 28 = 56

76

4-metilisopropilciclohexano

M+. 140

97

77

2. Alcenos

a) Íons moleculares M+. frequentemente observados

b) Após a ionização as duplas podem sofrer migração – a determinação de isômeros é muito difícil

c) Íons observados: agregados de picos CnH2n-1 além de -C3H5, -C4H7, -C5H9

etc em 41 55 69 etcetc. em 41, 55, 69, etc.

d) Alcenos terminais sempre se fragmentam dando origem ao cátion alila, m/z 41

RH2C +RC

HCH2 H2C C

HCH2

78

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14

cis-2-penteno

55

M+ 70

55

79

1-hexeno

4156

M+ 84

41

80

1-penteno

M+. 70

81

Alcanos vs. Alcenos

Octano (75 eV)M+ 114 m/z 85, 71, 57, 43 (base), 29

Octeno (75 eV)M+ 112 (+intenso à 75eV do que o octano) m/z 83, 69, 55, 41, 29

82

Íons fragmento : cicloalcenos

• Íons moleculares são intensos e frequentemente observados

• Fragmentação via retro Diels-Alder

Observado Perda de 28 uma

• Cadeias ligadas ao anel – fragmentação intensa

83

1-metil-1-ciclohexeno

81

M+. 9668

84

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15

3. Alcinos

a) Íons moleculares frequentemente observados

b) Para alcenos terminais, a perda do hidrogênio terminal é frequentementeobservada (M-1) – este é tão intenso que muitas vezes constitui o pico base do espectro, e pode até suprimir a presença do íon molecular M+.

c) Alcinos terminais formam o cátion propargila m/z 39 (menos intenso quec) Alcinos terminais formam o cátion propargila, m/z 39 (menos intenso queo cátion alila)

RH2C +RC CH H2C C CH

85

1-pentino

H

67H

M+ 68

39

86

2-pentino

53

M+ 68

87

4. Hidrocarbonetos aromáticos

a) Observa-se picos de íon molecular intensos e muito pouca fragmentaçãodo sistema aromático

75 eV e-

b) Anés aromáticos substituídos por grupos alquila sofrem fragmentação de maneira a fornecer o cátion tropílio C7H7

+ (m/z 91), formado a partir do rearranjo do cátion benzílio

CH2CH3

88

p-xileno

M+. 106CH3CH3

m/z 91

M 106H3C

89

Butilbenzeno (rearranjo de McLafferty)

H H

+

M+. 134

92

91

90

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16

5. Alcoóis

a) Por sofrerem diferentes tipos de fragmentação, os íons moleculares de alcoóis são, em geral, menos intensos do que os de alcanos

b) Alcoóis 1os e 2os apresentam M+ pequenos; alcoóis 3os não apresentam íonsM+ - H2O

b) Normalmente o grupo alquila de maior tamanho é o primeiro fragmentoformado; o modo de fragmentação é típico:formado; o modo de fragmentação é típico:

primários

secundários

terciários

OHH2C

O H+

O H+

OH O H+

OH

m/z

31

59

45

91

c) Desidratação (M - 18) é a mais comum – a desidratação ocorre com maior frequência em alcoóis com cadeia > 4 carbonos

• Eliminação-1,2 – mais comum

• Eliminação-1,4 – menos comum

• Ambas dão origem ao íon M - 18, cuja fragmentação subsequenteobedeçe à dos alcenosobedeçe à dos alcenos

d) Para alcoóis de cadeia longa observa-se fragmentação via rearranjo de McLafferty, que produz água e etileno (M - 18, M - 28)

OHR H O

HR

H

+

92

e) A perda de hidrogênio não é favorecida (M – 1)

f) Álcoois cíclicos apresentam fragmentação similar

• clivagem-

• desidratação

m/z 57

M - 18

93

1-pentanol

OHH OH

H

+

42

M+ 88

-H2O70

OH

31

42

94

2-pentanol

OH

45

M+ 88

45

95

2-metil-2-pentanol

OH

59

M+ 102

87OH

96

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17

Ciclopentanol

OHH OHH

+

M+ 86

57

97