1

SPECTROMETRIA DE MASĂ

2

INTRODUCERE

Spectrometria de masă este cea mai sensibilă metodă de analiză structurală (10-12 g).

Diferă fundamental de celelalte tehnici spectrale (rezonanţa magnetică nucleară, spectrometria în infraroşu, în ultraviolet etc) prin faptul că nu implică utilizarea radiaţiilor electromagnetice.

Spectrometria de masă este inclusă în tehnicile spectroscopice deoarece reprezentarea distribuţiei unor mase funcţie de abundenţele relative este analogă cu reprezentarea intensităţii unor radiaţii funcţie de lungimea de undă.

Spre deosebire de celelalte tehnici spectrale, spectrometria de masă transformă chimic proba care devine astfel nerecuperabilă.

3

Principii fundamentale Spectrometria de masă este o metodă fizică utilizată, în

special, pentru analiza substanţelor organice ce constă, în esenţă, în ionizarea substanţei investigate, urmată de separarea ionilor obţinuţi în funcţie de raportul dintre masă şi sarcină.

Spectrul de masă reprezintă înregistrarea maselor şi a abundenţelor relative ale ionilor obţinuţi.

Spectrul de masă este o caracteristică a fiecărui compus, iar identificarea ionilor rezultaţi în cursul fragmentării permite, de multe ori, stabilirea completă a formulei structurale.

4

Spectrul de masă al 2-metilpentanului

Informaţii oferitemasa moleculară este

86 u.a.m;a. picul cel mai intens

apare la m/e 43; aceasta arată că scindarea preferenţială are loc între C2-C3, cu formarea celor mai stabili ioni;

b. picurile de la m/e 15, 29, 57, 71 indică fragmente rezultate din scindarea, directă sau indirectă, a ionului molecular şi care corespund unor ioni CH3

+, C2H5+, C4H9

+, respectiv C5H11

+.

5

Schema de principiu a unui spectrometru de masă: 1. rezervor de vapori; 2. frită; 3. catod; 4. anod; 5. zonă de accelerare; 6. fante de focalizare; 7. tubul analizorului; 8. magnet; 9. detector; 10. amplificator; 11. înregistrator.

Moleculele organice aflate în fază de vapori sunt bombardate cu un fascicul de electroni, având energia cuprinsă între 10-70 eV, pentru a fi transformate în ioni pozitivi cu energie înaltă:

M + e M 2e-

Datorită conţinutului energetic ridicat, ionul (denumit ion molecular sau ion-părinte), va suferi procese complexe de fragmentare, ce vor conduce la formarea de fragmente ionice şi neutre:

M m m sau M m m+ 1 2

+ 1

2

Dintre acestea, spectrometrul de masă analizează numai fragmentele ionice.

Incinta aparatului este menţinută la o presiune foarte joasă (10-6 - 10-7 mm Hg)

Schema bloc a unui spectrometru de masă

6

Utilizarea spectroscopiei de masă în chimia organică • determinarea masei moleculare. Este cea mai utilizată facilitate oferită de către

spectrometria de masă. Posibilitatea determinării masei moleculare se bazează pe procesul primar de formare a ionului molecular prin expulzarea unui electron din molecula investigată. Ionul astfel format va avea, practic, aceeaşi masă moleculară cu molecula din care provine. Din acest motiv, identificarea ionului molecular reprezintă o etapă cheie în interpretarea unui spectru de masă;

• determinarea formulei moleculare. Formula moleculară a unui ion poate fi determinată direct dacă este posibilă măsurarea cu o precizie de cel puţin patru zecimale a masei moleculare. Aceasta precizie necesită aparate cu o rezoluţie mai mare de 104 (spectrometre de masă de înaltă rezoluţie).

• elucidarea structurii moleculelor. Stabilirea formulei structurale poate fi realizată, în unele cazuri, în urma interpretării fragmentărilor suferite de către ionul molecular. Atribuirea structurală poate fi făcută şi prin compararea datelor spectrale cu cele existente în bibliotecile de spectre de masă;

• stabilirea marcajelor izotopice. Spectrometria de masă este metoda standard pentru analiza rezultatelor experimentelor de marcare izotopică, experimente de o importanţă deosebită pentru evidenţierea proceselor chimice ce au loc în organismele vii. Determinarea extrem de precisă a abundenţelor izotopice prezintă o importanţă deosebită pentru geo-ştiinţe şi arheologie. Astfel, posibilitatea de a determina un raport 14C/12C = 1/1015 a permis datarea unui eşantion de 40.000 de ani cu o precizie de 1 %. Spectrometria de masă permite stabilirea cu uşurinţă a prezenţei izotopilor şi a poziţiei acestora în moleculă.

7

APARATURA

• secţiunea de introducere a probei;

• secţiunea de ionizare şi accelerare;

• secţiunea de separare a ionilor;

• secţiunea de colectare-detectare;

• secţiunea de amplificare-înregistrare.

8

Introducerea probei• Spectrometrul de masă analizează ioni aflaţi în fază

gazoasă. Modul de introducere a probei în aparat depinde esenţial de modul de ionizare şi de proprietăţile fizico-chimice ale substanţei de analizat. La introducerea probei în spectrometru de masă trebuie să se ţină seama de următoarele aspecte:

• puritatea probei. Deoarece spectrometria de masă este o metodă de analiză deosebit de sensibilă, puritatea probei trebuie să fie extrem de mare. Prezenţa unor impurităţi, chiar în cantitate mică, poate afecta foarte mult interpretarea spectrului, mai ales atunci când volatilitatea impurităţii este mult mai mare decât a substanţei analizate (în cazul extrem se înregistrează numai spectrul impurităţii);

9

• volatilitatea probei. Iniţial, una dintre dificultăţile majore întâlnite la înregistrarea spectrelor de masă era determinată de necesitatea ca substanţa de analizat să fie adusă în stare de vapori. Compuşii organici stabili şi care prezintă presiuni de vapori moderate la temperaturi de până la 300 0C, la presiunea de circa 10-5 mm Hg din aparat, sunt introduşi indirect (aşa-numita introducere indirectă), prin intermediul unei camere de vaporizare din care vaporii difuzează lent, printr-o frită, în camera de ionizare. Probele cu presiuni de vapori scăzute (în general solidele) precum şi cele care se descompun, se introduc direct în camera de ionizare (introducere directă). Volatilizarea lor se realizează în urma unei încălziri controlate. Substanţele cu volatilitate extrem de scăzută (cum ar fi aminoacizii, zaharurile etc) pot fi analizate după derivatizare (transformare chimică în derivaţi mai puţin polari). Tehnicile moderne de ionizare au permis şi înregistrarea spectrelor unor compuşi tradiţional nevolatili: polimeri, peptide şi proteine etc;

10

• cantitatea de probă. Deşi, în principiu, aceasta depinde de modul de introducere a probei, de tipul de aparat, de timpul necesar înregistrării spectrului etc., cantitatea necesară nu depăşeşte 1 mg, fiind mult mai mică decât cantităţile necesitate de celelalte tehnici spectrale. Aparatele moderne au permis înregistrarea de spectre de masă prin utilizarea unor cantităţi de substanţă de ordinul a 10-12 g. Utilizarea unor cantităţi extrem de mici de subsatnţă este extrem de avantajoasă, printre altele, şi datorită faptului că proba este nerecuperabilă (spectrul de masă este ultimul tip de înregistrare spectrală atunci când se dispune de cantităţi limitate de substanţă).

11

• Surse de ioni şi tehnici de ionizare• Sursa de ioni (denumită frecvent şi cameră de ionizare) are rolul de a

realiza ionizarea substanţelor ce urmează a fi analizate şi reprezintă una dintre cele mai importante componente a spectrometrului de masă.

• Principalele tipuri de surse de ioni sunt clasificate, funcţie de modul de realizare a ionizării, după cum urmează:

• surse de ionizare prin bombardament electronic (impact electronic, electronic impact, EI);

• surse de ionizare prin coliziunea probei cu ioni furnizaţi de sursă (ionizare chimică, chemical ionization, CI);

• surse de ionizare prin bombardament cu un fascicul de ioni sau molecule neutre (Liquid Secondary Ion Mass Spectrometry, LSIMS şi Fast Atom Bombardment, FAB);

• surse de ionizare cu ajutorul laserului (Laser Ionization Mass Analysis, LIMA şi Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI);

• ionizare prin dispersarea unor soluţii sub formă de picături fine (termospray, TSP şi electrospray, ESI);

12

Ionizarea prin impact electronic (Electronic Impact, EI)

Este una din cele mai utilizate surse în spectrometria de masă organică. Sursa este formată dintr-un filament încălzit (catod) ce emite electroni. Electronii produşi sunt acceleraţi spre un anod, intrând în coliziune, în drumul lor, cu moleculele probei aflate în stare de vapori.

Sursă de ionizare prin impact electronic

Deoarece orice coliziune produce devierea ionului de pe traiectorie, urmată de descărcare pe pereţii aparatului, majoritatea spectrometrelor de masă lucrează în condiţiile unui vid înaintat.

M + e M 2e-

M m m sau M m m+ 1 2

+ 1

2

13

Ionizarea chimică (Chemical Ionization, CI) Avantaje: • determinarea masei moleculare este mult mai uşoară deoarece

abundenţele ionilor M+, M+1 sau M-1 sunt mult mai mari;• procesele de fragmentare sunt mult mai simple (datorită, în

special, faptului că ionul format din molecula de analizat nu mai este un radical-cation);

Implică producerea de ioni ai substanţei de analizat în urma coliziunii, într-o zonă limitată a sursei, dintre moleculele probei şi un gaz, ionizat în prealabil prin impact electronic, prezent în interiorul sursei. Pentru ca aceste coliziuni să poată avea loc este necesar ca presiunea din interiorul sursei să aibă o valoare de circa 0,5 mm Hg.

Gaze ionizante: metan, izobutan, amoniac, gaze rare, oxid de carbon etc.

14

Exemplu: gaz ionizant: izobutan

Spectrul de masă al plasmei de ionizare a izobutanului (20 Pa)

Spectru de ionizare chimică (gaz ionizant: izobutan)

Obs: picurile de la valori m/e superioare sunt determinate de formarea de aducţi

15

Ionizarea prin bombardament cu ioni sau cu atomi rapizi

1. Spectrometria de masă a ionilor secundari (Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS)

Tehnica se aplică în special solidelor şi este în mod deosebit utilă în studiul suprafeţelor. În general, metoda nu poate fi aplicată substanţelor organice deoarece acestea acumulează sarcini care deviază fasciculul incident de ioni. SIMS implică generarea unui fascicul de ioni, cum ar fi Ar+, Ne+, Xe+ şi direcţionarea acestuia asupra moleculei analizate. Energia acestor ioni este transferată moleculelor probei care va ioniza, formând aşa-numiţii ioni secundari.

16

Ionizarea prin bombardare cu atomi rapizi

(Fast Atom Bombardment, FAB) • Metoda constă în bombardarea moleculelor probei, dizolvate într-un solvent

greu volatil, cu un fascicul de atomi neutri ce are rolul de a expulza ioni şi molecule din soluţie.

• Fasciculul de atomi neutri este format din atomi de argon sau xenon, ce posedă o energie ridicată. Radiaţia este obţinută prin ionizarea iniţială a atomilor, prin impact electronic, la radical-cationi, Xe+ :

Xe e Xe 2 e -

Radical-cationii formaţi sunt acceleraţi sub un potenţial de 6-10 keV pentru a forma radical-cationi de energie înaltă (Xe)+ , care sunt apoi trecuţi prin xenon. În cursul acestei treceri, (Xe)+ primesc electroni de la atomii de xenon, transformându-se în atomi de xenon cu energie înaltă:

Xe accelerare

Xe

Xe Xe Xe Xe

17

Solvenţi utilizaţi în tehnica FAB: glicerina, tioglicerina, alcoolul m-nitrobenzilic şi, la analiza ionilor negativi, tri-etanolaminaAceastă tehnică nu produce ioni, ci doar expulzează în faza gazoasă ionii pre-existenţi în soluţie. În acest mod se minimizează excitarea vibraţională a moleculelor, ceea ce se reflectă în procese de fragmentare extrem de sumare.

De obicei, ionul molecular nu apare ca atare; sunt însă uşor de identificat aducţi de tipul (M+H)+. Alţi aducţi rezultă prin asocierea cu diverse impurităţi din săruri sau în urma

adăugării de NaCl sau KCl: (M+Na)+ sau (M+K)+.

18

Spectrul FAB al unui amestec de peptide Spectrul MS/MS al ionului de masă 872, utilizat pentru stabilirea secvenţei de lanţ

19

MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization)În această tehnică de ionizare substanţa de analizat se

amestecă cu o soluţie ce conţine compuşi organici cu moleculă mică, numiţi matrice, şi care prezintă o absorbţie puternică la lungimea de undă a laserului utilizat. Iradierea amestecului cu ajutorul laserului va conduce la creşterea conţinutului energetic al fazei lichide prin excitarea moleculelor din matrice. Drept consecinţă, are loc un transfer de proton între matricea fotoexcitată şi substanţa analizată, urmată de fenomene de desorbţie a ionilor formaţi.

20

Schema de principiu a ionizării cu laser asistată matriceal (MALDI)

Aflată într-un mare exces, matricea izolează moleculele probei, limitând apariţia de agregate ce ar împiedica formarea ionilor moleculari.Pot fi desorbite şi ionizate proteine cu mase moleculare de până la 300.000 u.a.m;sensibilitatea determinării este foarte mare (de exemplu, o matrice din acid nicotinicpermite detectarea unor cantităţi de ordinul picomolilor dintr-o proteină).

21

• SPECTROMETRIA DE MASĂ ÎN TANDEM (MS/MS)• Tehnica MS/MS se referă la o metodă în care un

prim analizor este utilizat pentru izolarea unui anumit ion, mp

+, care va suferi o fragmentare ce va produce ioni şi molecule neutre.

m m mp d n

Există trei moduri principale de realizare a tehnicilor MS/MS:baleiajul fragmentelor ionice (daughter scan) - constă în alegerea unui

ion precursor (ion părinte) şi determinarea tuturor ionilor produşi;baleiajul ionilor precursori (parent scan) - constă în alegerea unui

fragment ionic şi determinarea tuturor ionilor precursori;baleiajul fragmentelor neutre scindate (neutral loss scan) - constă în

alegerea unui fragment neutru şi detectarea tuturor fragmentărilor ce provoacă apariţia lui.

22

a) spectrul EI al p-t-butil- fenolului

b) fragmentările ionului precursor de la m/e 135

c) fragmentările ionului precursor de la m/e 137

23

SPECTRUL DE MASĂ

forma grafică. Semnalele ionilor sunt prezentate sub formă de linii verticale aflate la valorile m/e corespunzătoare şi a căror înălţime este proporţională cu intensităţile (abundenţele) ionilor. Din motive practice, aceste abundenţe sunt recalculate funcţie de semnalul cel mai intens (numit şi pic de bază, base peak), căruia i se atribuie valoarea de 100 %. Operaţia se numeşte normalizarea spectrului; abundenţele înregistrate ale celorlalţi ioni se amplifică cu factorul:

f 100

abundenta picului de baza

Avantaje: comparaţii rapide cu alte spectreDezavantaje: imposibilitatea de a prezenta, la aceeaşi scară, abundenţele exacte ale ionilor cu intensitate mică (şi în special cele ale picurilor izotopice)

24

SPECTRUL DE MASĂ

forma tabelară. Prezintă sub formă de tabel lista ionilor şi a abundenţelor lor relative faţă de ionul de bază, considerat ca având abundenţa de 100 %. Din considerente practice, şi această listă poate să excludă ionii cu abundenţe extrem de scăzute. În cazul înregistrării spectrului pe un aparat cu rezoluţie joasă este util să se normalizeze abundenţele picurilor izotopice din zona ionului molecular funcţie de acesta din urmă.

m/e % m/e

% m/e % m/e

%

15 1,3 39 1,2 45 1,8 72 17,0

27 10,0 40 2,1 56 7,3 73 23,0

28 11,0 41 4,5 57 5,0 74 1,1

29 8,1 42 28,0 58 100

30 13,0 43 7,2 59 3,9 M M+1

31 0,27 44 25,0 71 1,0 100 4,78

Informaţii analitice furnizate de către spectrul de masă:

1. masa moleculară2. formula moleculară3. formula structurală

25

Determinarea formulei moleculare

Cea mai mare parte a elementelor apar în natură sub forma unor amestecuri de izotopi. De exemplu, carbonul, elementul fundamental al chimiei organice, este un amestec format din doi izotopi:

12C (98,89 %) şi 13C (1,10 %)

În spectrul de masă al unei molecule organice fiecare pic corespunde unui ion cu o anumită compoziţie izotopică.

Valoarea m/e se calculează cu masele izotopice şi nu cu masele atomice relative ale elementelor.

Consecinţă: existenţa unor ioni cu compoziţii elementale identice dar cu mase diferite. Ionii respectivi vor apare la valori m/e diferite.

În majoritatea cazurilor, unul dintre izotopi se află într-o proporţie dominantă. Acest fapt are drept consecinţă apariţia unor picuri suplimentare, în general puţin intense şi aflate la valori m/e imediat superioare. Aceste picuri se numesc picuri izotopice. Intensitatea lor, raportată la intensitatea (abundenţa) picului ionului format de izotopii majoritari, este extrem de caracteristică şi serveşte la stabilirea formulei moleculare.

26

Izotop Abundenţă naturală (%) Masa izotopică (u.a.m.)

1H 99,985 1,007825

2H 0,015 2,014102

12C 98,90 12,000000

13C 1,10 13,003354

14N 99,64 14,003074

15N 0,36 15,000108

16O 99,76 15,994915

17O 0,04 16,999133

18O 0,20 17,999160

19F 100,00 18.998405

23Na 100,00 22,989767

28Si 92,20 27,976927

29Si 4,70 28,976491

30Si 3,10 29,973761

31P 100,00 30,973763

32S 95,02 31,972074

33S 0,75 32,971461

34S 4,21 33,967865

36S 0,02 35,967080

35Cl 75,80 34,968855

37Cl 24,20 36,965896

79Br 50,50 78,918348

81Br 49,50 80,916334

127I 100,00 126,904352

Abundenţele izotopilor celor importante elemente organogene

27

De exemplu, la înregistrarea spectrului de masă al etil-metil-cetonei (C4H8O) pe un aparat cu rezoluţie joasă, picul ionului molecular, aflat la m/e 72, este însoţit de două picuri, aflate la m/e 73 şi m/e 74, a căror intensitate relativă faţă de intensitatea ionului molecular este de 4,7 % şi, respectiv 0,3 %. Apariţia celor două picuri suplimentare este determinată, evident, de prezenţa izotopilor în moleculă. Abundenţele relative ale celor doi izotopi ai carbonului se află în raport de 98,89/1,11. Rezultă că, în medie, unul dintr-o sută de atomi de carbon este un 13C. Pentru compusul C4H8O, una din douăzeci şi cinci de molecule conţine trei atomi 12C şi unul 13C. Această moleculă are masa unitară 73 şi va forma primul pic izotopic. Prezenţa unui al doilea 13C (sau a unui 2H, sau numai a unui 18O) va conduce la formarea celui de al doilea pic izotopic. Abundenţele acestor picuri sunt, evident, proporţionale cu abundenţele izotopilor respectivi.

M = 72 M, (%)

M + 1, (%)

M + 2, (%)

C4H8O 100 4,49 0,28

C2H4N2O 100 3,03 0,23

C3H4O2 100 3,38 0,44

C3H6NO 100 3,76 0,25

C3H8N2 100 4,13 0,07

C5H12 100 5,59 0,13

28

Ionul molecularStructura ionului molecularIonul molecular este un radical-cation care apare atunci când o moleculă neutră pierde un electron în urma bombardamentului cu un fascicul de electroni a căror energie depăşeşte potenţialul de ionizare (> 10 - 15 eV):

M e M 2 e- -

Deşi în majoritatea cazurilor este dificil de precizat care orbital va pierde electronul, este de aşteptat ca sistemele aromatice şi orbitalii de nelegătură ai heteroatomilor (oxigen, azot etc) să piardă cu uşurinţă un electron şi ca legăturile C-C să ionizeze mai uşor decât legăturile C-H:

Când dovezile lipsesc, structura ionului molecular se scrie între paranteze pătrate, caracterul de radical-cation fiind evidenţiat în partea de sus a parantezei din dreapta; în acelaşi mod se reprezintă şi fragmentele a căror structură electronică nu poate fi exact precizată: C H , C H etc6 6

5 5

29

Confirmarea identificării corecte a ionului molecular poate fi realizată dacă se ţine cont de:

• ionul molecular este ionul ce prezintă cel mai scăzut potenţial de ionizare;• ionul molecular este ionul a cărui masă este suma maselor tuturor elementelor

prezente în moleculă (pentru fiecare element se ia în considerare izotopul cel mai abundent);

• abundenţa ionului molecular este proporţională cu presiunea din sursa de ioni;• ionul molecular este o specie omogenă. Dacă spectrometrul scindează picul

presupusului ion molecular în două sau mai multe componente, atunci acesta trebuie căutat la valori m/e mai mari;

• ionul molecular este întotdeauna însoţit de picuri izotopice. Abundenţa lor relativă depinde de numărul şi tipul elementelor prezente şi de abundenţa lor naturală.

• scindările trebuie să aibă loc întotdeauna cu pierderea unor fragmente de masă rezonabilă. Astfel, este nerezonabil ca primul pic de dinaintea ionului molecular să rezulte printr-o pierdere de masă de 6-14 sau 21-24 u.a.m. datorită improbabilităţii de existenţă a unor fragmente cu această masă. În aceste condiţii, ionul presupus ca fiind ion molecular este el însuşi un fragment;

• nici un fragment nu poate conţine mai multe tipuri de atomi decât ionul molecular. Identificarea unor fragmente ce conţin şi alte tipuri de atomi faţă de ionul molecular conduce la concluzia alegerii greşite a acestuia din urmă;

• în absenţa unui semnal pentru ionul molecular, masa moleculară trebuie să aibă o valoare care să difere rezonabil faţă de ionii fragmente prezenţi în spectru.

30

Regula azotuluiCu o singură excepţie, izotopii cei mai răspândiţi ai elementelor

organogene se încadrează în una din următoarele două categorii:• izotopi cu număr de masă şi valenţă pare (12C, 16O, 32S);• izotopi cu număr de masă şi valenţă impare (1H, 35Cl, 31P).• Excepţia este reprezentată de către 14N, care prezintă

număr de masă par şi valenţă impară. Acest fapt prezintă o importanţă analitică deosebită în spectrometria de masă, consecinţele ce decurg de aici fiind enunţate în aşa-numita regulă a azotului: moleculele cu masă moleculară impară trebuie să conţină un număr impar de atomi de azot; moleculele cu masă moleculară pară, fie conţin un număr par de atomi de azot, fie nu conţin azot în moleculă.

31

Procese de fragmentareGeneralităţi

În mod obişnuit, reacţiile chimice se desfăşoară în fază lichidă sau gazoasă; în aceste condiţii numărul de ciocniri intermoleculare este imens iar energia internă se distribuie rapid pe ansamblul tuturor moleculelor din sistem. Înregistrarea spectrelor de masă ale moleculelor ionizate prin impact electronic se realizează în condiţiile unui vid avansat în care astfel de ciocniri sunt improbabile. Transformările moleculelor în spectrometrul de masă sunt reacţii monomoleculare izolate, ce au loc într-un timp foarte scurt; sunt deci procese ce se află sub control cinetic.

Acest fapt permite postularea rutelor de fragmentare pe baza considerentelor bazate pe stabilitatea fragmentelor obţinute.

32

Procesele de fragmentare ce au loc în spectrometrul de masă pot fi împărţite în două categorii:

- scindări simple (fără rearanjare);- scindări cu rearanjare.

Factorii principali care determină ce legături se vor scinda şi ce ioni se vor forma sunt:

- tăria relativă a legăturii;- stabilitatea ionilor şi a fragmentelor neutre rezultate. Este de aşteptat ca principiile după care au loc

transformările chimice în spectrometrul de masă să fie asemănătoare cu cele din chimia organică convenţională. Se poate astfel anticipa că fragmentarea va depinde de factori cum ar fi activarea alilică sau benzilică a legăturilor, stabilizarea sarcinii pozitive a fragmentelor prin inducţie şi/sau rezonanţă sau de capacitatea heteroatomilor (oxigen, azot, halogeni etc) de a accepta sarcina pozitivă cu schimbarea concomitentă a valenţei. De remarcat că tendinţa de fragmentare a tuturor legăturilor multiple (-CN, -C=O, >C=C<, -N=O etc) şi a trei legături simple (C-F, C-H şi O-H ) este foarte mică.

33

Simboluri utilizate în spectrometria de masăÎn general, sunt unanim acceptate atât terminologia cât şi simbolismul propuse de către McLafferty.Atunci când sarcina şi electronul impar nu sunt (sau nu pot fi localizate) formula ionului molecular este pusă între paranteze pătrate, sarcina pozitivă şi electronul impar fiind scrise în afara parantezelor, în colţul din dreapta sus; uneori, din motive de simplitate, parantezele sunt omise, rămănând numai colţul din dreapta sus.

Atunci când sarcina pozitivă şi electronul impar pot fi considerate (din diferite motive) ca localizate acestea se plasează corespunzător

34

În cursul proceselor de fragmentare, scindarea legăturilor simple poate avea loc heterolitic sau homolitic. Deplasarea electronilor de legătură în cursul scindărilor se evidenţiază cu ajutorul săgeţilor. Scindarea homolitică se evidenţiază cu săgeţi cu un singur “dinte” (săgeţi tip harpon), pentru scindarea heterolitică utilizându-se săgeţi normale .

În anumite situaţii este utilă indicarea fragmentelor ce pot rezulta în urma scindării la unul din capetele lanţului.

35

Ioni cu număr par şi impar de electroniÎn general, moleculele conţin un număr par de electroni. Speciile reactive ce se întâlnesc frecvent în chimia clasică sunt ioni cu număr par de electroni (cationi şi anioni) şi radicali (intermediari fără sarcină) cu număr impar de electroni. În spectrometria de masă se întâlnesc însă şi radicali-cationi, specii care nu sunt caracteristice chimiei în soluţie.Toţi ionii moleculari conţin un număr impar de electroni. Pierderea ulterioară de masă prin scindarea unei legături simple poate conduce numai la două situaţii:

• scindarea lanţului şi a legăturilor exo-ciclice;• scindarea legăturilor dintr-un ciclu.

În prima situaţie, scindarea heterolitică sau homolitică a unei legături va conduce la acelaşi rezultat, obţinându-se un ion cu număr par de electroni (cation) şi un fragment neutru cu număr impar de electroni (radical) În cel de-al doilea caz, pierderea de masă este posibilă numai dacă are loc scindarea a două legături din ciclu, cu formarea unui ion cu număr impar de electroni (radical-cation) şi a unui fragment neutru

36

Ionii cu număr par de electroni pot suferi, la rândul lor, procese de fragmentare. Teoretic, funcţie de tipul de scindare, homolitică sau heterolitică, este posibilă obţinerea unui ion cu număr par de electroni şi a unui fragment neutru sau a unui ion cu număr impar de electroni şi a unui radical (cum este, de exemplu, cazul scindării cationului butil).

37

De obicei, ionii cu număr par de electroni se fragmentează la ioni cu număr par de electroni şi fragmente neutre.

Recunoaşterea ionilor funcţie de paritatea în electroni se face cu următoarea regulă: în absenţa azotului, orice ion de masă pară va avea, fără excepţie, un număr impar de electroni şi va fi un radical-cation; orice ion de masă impară va avea un număr par de electroni şi va fi un cation. Evident, dacă molecula conţine un număr impar de atomi de azot, regula se inversează.

Deşi majoritatea ionilor înregistraţi în spectrul de masă sunt ioni cu număr par de electroni, datorită faptului că oferă posibilitatea postulării precursorilor posibili, cele mai importante informaţii pentru deducerea structurii sunt oferite de ionii cu număr impar de electroni.

38

Molecule şi fragmente neutre cu masă mică

Fragmentarea ionului molecular produce ioni (înregistraţi de către aparat) şi fragmente neutre (radicali sau molecule) neobservabile în spectru. Masa produselor neutre poate fi însă dedusă din diferenţa dintre masa ionului părinte şi cea a fragmentului ionic rezultat. Masele acestor fragmente oferă informaţii importante referitoare la compoziţia elementală a moleculelor investigate.

Cele mai importante informaţii sunt oferite de fragmentele neutre pe care le pierde ionul molecular. Ionii de masă (M-1)+, (M-15)+, (M-18)+ şi (M-20)+ reprezintă, aproape întotdeauna, pierderea de fragmente H, CH3, H2O şi, respectiv, HF. Probabilitatea ca aceşti ioni să rezulte în urma unor rearanjamente este extrem de scăzută şi, datorită acestui fapt, cunoaşterea naturii fragmentelor neutre pierdute în cursul formării este importantă pentru determinarea structurii moleculare. Astfel, un pic (M-1)+ abundent indică prezenţa unui atom de hidrogen mobil şi, implicit, absenţa altor substituenţi ce scindează uşor; un fragment (M-15)+ abundent indică prezenţa unei grupe metil fixată fie pe un carbon foarte substituit, fie plasată într-o poziţie favorabilă scindării.

39

Scindări simplea) Scindări directe () şi scindări induse (i)Fragmentările apar în urma expulzării unui electron dintr-o legătură . Unul dintre fragmente va avea sarcină pozitivă iar celălalt va fi un radical.

Procesul de fragmentare poate fi privit ca o competiţie între doi cationi pentru un electron:

R e R'

Regula lui Stevenson precizează că se va forma preponderent cationul ce corespunde radicalului R ce are cel mai scăzut potenţial de ionizare.

În radical-cationi sarcina este delocalizată pe întreaga moleculă. În moleculele în care există heteroatomi, ce prezintă un potenţial scăzut de ionizare, sarcina este purtată de către aceştia.

40

b) scindarea legăturilor din Scindarea legăturilor din este iniţiată de componenta radicalică a radical-cationului şi are loc prin transferul unui electron al acestei legături:

S-a constatat că, dacă în urma scindării pot rezulta mai mulţi radicali alchil, formarea celui cu lanţul cel mai lung este favorizată.

Aceeaşi scindare a legăturilor , iniţiată de sarcina pozitivă, se poate reprezenta astfel:

41

Scindarea legăturii adiacente are loc deoarece radicalul t-butil este foarte stabil. Deoarece oxigenul este puternic electronegativ, acesta acceptă un electron, ionul de masă 45 (CH3CH2O+) neputând fi observat. Scindarea conduce la pierderea unei grupe metil cu apariţia ionului m/e 87. Aceasta este urmată de un rearanjament, ce antrenează pierderea unei molecule de etenă, ce conduce la ionul m/e 59.

Scindarea în , indusă de componenta radicalică, are două posibilităţi de expulzare de grupă metil şi una de grupă etil. Se observă că este preferată pierderea celui mai lung radical (etil), urmată de pierderea unei molecule de etenă printr-un proces de rearanjare. În spectru se mai observă scindarea unei legături ce conduce la cationul butil (m/e 57) precum şi scindarea unei grupe metil (m/e 87).

42

Scindări cu rearanjareAtribuirea structurală a fragmentelor din spectru nu poate fi

realizată ţinând cont numai de simpla scindare a unor legături. Au loc frecvent procese complexe de transpoziţie şi rearanjare a scheletului moleculei, procese ce implică migrarea unuia sau a doi atomi de hidrogen sau a altor atomi sau grupe de atomi. Aceste procese prezintă o serie de caracteristici comune, dintre care cele mai importante sunt următoarele:

• forţa motrice este reprezentată de expulzarea unui fragment neutru stabil;

• procesele se realizează prin intermediul unei stări de tranziţie ciclice ce implică, cel mai frecvent, un număr de şase atomi;

• ionul rezultat este stabil; • centrele între care are loc transferul atomilor sunt plasate favorabil

din punct de vedere stereochimic.

43

Fragmentarea retro-Diels-AlderEste un proces ce apare în cazul cicloolefinelor cu inel de

şase atomi. Prezenţa unei duble legături într-un ciclu face posibilă o scindare ce seamănă cu o reacţie Diels-Alder inversată. De exemplu, fragmentarea ionului molecular al ciclohexenei va conduce la etenă şi butadienă, atomii de carbon ai fostei legături duble apărînd în poziţiile 2,3 din butadienă

Deşi sarcina pozitivă poate fi purtată de oricare dintre fragmente, abundenţa mai mare a ionului C4H6

+ este determinată de aptitudinea sa mai mare de a stabiliza sarcina pozitivă

44

Rearanjarea McLafferty

Acest tip de rearanjare însoţeşte fragmentările unui mare număr de clase de compuşi organici. Rearanjarea implică transferul unui atom de hidrogen, printr-o stare de tranziţie în şase centre, la un atom care este legat de atomul adiacent din ciclul de şase de o legătură dublă sau triplă.

Numărul mare de compuşi care dau această rearanjare este determinat de faptul că atomii A, B, C, D şi E pot fi atomi de carbon iar atomii A, C şi/sau E sau D pot fi heteroatomi. Fragmentarea are loc cu uşurinţă, producând frecvent picul de bază. Sarcina pozitivă însoţeşte, de obicei, fragmentul C = D - E - H

45

Nu poate forma o stare de tranziţie în şase centre şi ionul molecular scindează radicali

46

Factori ce influenţează procesele de fragmentare

Procesele de fragmentare sunt influenţate de o serie de factori, dintre care cei mai importanţi sunt:

• grupele funcţionale. Unele grupări funcţionale pot avea un efect important asupra proceselor de fragmentare, în timp ce altele au o influenţă mică. Aceste aspecte vor fi discutate în detaliu în capitolul fragmentări asociate cu grupele funcţionale;

• degradările termice. Degradările termice ale compuşilor labili termic pot avea loc în sursa de ioni şi conduc la dificultăţi de interpretare a spectrelor. Aceste fenomene apar, de obicei, în cazul alcoolilor ce se pot deshidrata înainte de ionizare. Pierderea unei molecule de apă generează un pic la M - 18, indiferent dacă eliminarea a avut loc înainte sau după ionizare. Dacă însă deshidratarea are loc în proporţie mare înainte de ionizare, picul ionului molecular poate să dispară din spectru.

• potenţialul de ionizare. Spectrele de masă de rutină sunt obţinute, de obicei, la 70 eV (1 eV = 23 kcal = 96 kJ/mol). Scăderea potenţialului de ionizare la 20 eV nu modifică apreciabil modul de fragmentare, însă randamentul ionic (eficienţa ionizării) este redusă şi intensitatea semnalelor din spectru suferă o diminuare considerabilă. Sub 20 eV spectrul devine, progresiv, din ce în ce mai simplu, deoarece vor avea loc numai procesele de fragmentare cele mai favorizate.

47

Reguli generale ce se pot aplica proceselor de fragmentareAcumularea unui mare număr de date spectrale a permis enunţarea unor reguli referitoare la procesele de fragmentare ce au loc în spectrometrul de masă.1. Intensitatea relativă a picului molecular este cea mai mare pentru compusul cu catenă liniară şi scade cu creşterea ramificării catenei.2. Într-o serie omologă intensitatea picului molecular descreşte, de obicei, cu creşterea masei moleculare.3. Cu cât gradul de substituţie a unui atom de carbon este mai mare, cu atît scindarea legăturii este mai uşoară. Aceasta este o consecinţă directă a stabilităţii crescute a carbocationilor terţiari faţă de cei secundari şi, respectiv, primari.

4. Legăturile duble, structurile ciclice şi, în special, cele aromatice şi heteroaromatice stabilizează ionul molecular mărind astfel probabilitatea apariţiei acestuia.5. Legăturile duble favorizează scindările în poziţia alilică, cu formarea de carbocationi de tip alilic, stabilizaţi prin rezonanţă.

48

6. Ciclurile saturate au tendinţa să piardă substituenţii alchil. Sarcina pozitivă are tendinţa de a rămâne pe fragmentul ciclic:

7. Ciclurile nesaturate pot suferi scindări retro-Diels-Alder:

8. Legăturile carbon-carbon vecine unui heteroatom scindează frecvent; sarcina pozitivă este preluată de fragmentul ce conţine heteroatomul, ai cărui electroni neparticipanţi contribuie la stabilizarea prin rezonanţă.

49

9. Derivaţii aromatici alchilaţi scindează, cu mare probabilitate, legăturile faţă de ciclu, formând cationi benzilici stabilizaţi prin rezonanţă sau, mai probabil, ioni tropiliu:

10. Scindările sunt însoţite, adeseori, de eliminarea unor molecule stabile neutre cum ar fi oxid de carbon, olefine, apă, amoniac, hidrogen sulfurat, acid cianhidric, mercaptani, alcooli etc.11. Trebuie precizat faptul că regulile de mai sus se pot aplica pentru scindările care au loc în spectrometrele cu impact electronic Alte tehnici de ionizare (CI etc) produc ioni moleculari cu energie mult mai joasă, a căror fragmentare decurge după reguli diferite.

50

• PROCESE DE FRAGMENTARE ASOCIATE CU PRINCIPALELE CLASE DE COMPUŞI ORGANICI

51

• Hidrocarburi• Hidrocarburi saturate aciclice• Analiza spectrelor hidrocarburilor saturate aciclice a permis evidenţierea unor

caracteristici comune:• într-o serie omologă intensitatea semnalului ionului molecular scade cu creşterea masei

moleculare;• la alcanii izomeri intensitatea ionului molecular scade odată cu creşterea gradului de ramificare;• scindările au loc, preferenţial, la ramificaţii; cu cât atomul de carbon este mai substituit, cu atât

scindarea este mai uşoară; • picul molecular al alcanilor liniari este vizibil până la C45; cel al alcanilor puternic ramificaţi nu

este detectabil (octanii cu carbon cuaternar nu prezintă pic molecular);• abundenţa picului M-15 este minimă pentru alcanii liniari; un pic M-15 intens indică, de obicei, o

ramificaţie metil. Fragmentarea lanţurilor liniare produce picuri distanţate de 14 u.a.m. Picurile m/e 43 (C3H7)+ şi 57 (C4H9)+ sunt întotdeauna intense, dar ele nu sunt caracteristice pentru o anumită structură;

• majoritatea ionilor se formează prin scindarea legăturilor C-C ale ionului molecular şi sunt ioni de masă impară, grupaţi în tripleţi ale căror valori m/e sunt date de formula generală CnH2n-1, CnH2n, CnH2n+1, situate, respectiv, la m/e 27, 28, 29, m/e 41, 42, 43, m/e 55, 56, 57 etc.;

• deoarece transpoziţia ionilor carboniu este un proces ce reclamă cantităţi minime de energie, este practic imposibil ca, pe baza spectrului de masă, să se definească structura ionilor ce apar la fragmentarea catenelor liniare.

52

Spectrul de masă al 3-etilhexanului

53

• Hidrocarburi aromatice•• Nucleul aromatic stabilizează ionul molecular, ce dă frecvent picul de bază.• Picul molecular este însoţit, de regulă, de picul M-1, rezultat în urma unei scindări

benzilice a legăturii C-H.• Un pic intens la m/e 91, (dat de ionul C6H5CH2

+), indică un inel benzenic substituit. Substituenţii prezenţi la C conduc la mase ce cresc progresiv cu 14 u.a.m.; de regulă, radicalul cel mai substituit de la C scindează primul. Simpla prezenţă a unui pic de masă 91 nu exclude ramificarea la C, deoarece acest fragment, foarte stabil, poate să apară şi în urma unor rearanjamente. Ionul de masă 91 admite două structuri izomere (cation benzil şi ion tropiliu), dintre care cea mai stabilă este, fără îndoială, structura de ion tropiliu ce prezintă caracter aromatic. Aceasta ar explica scindarea mai uşoară a unei grupe metil din xileni, comparativ cu cazul toluenului. Ionul molecular al xilenilor se rearanjează uşor la radical-cationul tropiliu ce pierde un radical metil:

54

• Migrarea unui atom de hidrogen şi eliminarea unei molecule de alchenă (transpoziţie de tip McLafferty) explică picul de la m/e 92, atunci când radicalul alchil are o catenă liniară de cel puţin 3 atomi de carbon:

Cea mai importantă fragmentare a părţii aromatice are loc prin pierderea unei molecule de acetilenă din ionul tropiliu:

55

Deşi au o abundenţă relativă scăzută, ionii rezultaţi din fragmentarea nucleului aromatic sunt caracteristici: m/e 39, 50, 51, 65 (76), 77 (78).

56

Derivaţi halogenaţi

Datorită contribuţiei izotopice, aspectul spectrelor de masă ale derivaţilor halogenaţi poate să depindă esenţial de numărul şi natura atomilor de halogen. În tabel sunt prezentate masele exacte şi abundenţele relative ale izotopilor atomilor de halogen răspândiţi în natură.

Izotop Masă Abundenţă relativă, %

19F 18,9984 100

35Cl 34,9689 100

37Cl 35,9675 31,978

79Br 78,9184 100

81Br 80,9163 97,278

127I 126,9044 100

57

Datorită abundenţelor mari ale izotopilor 36Cl, respectiv 81Br, spectrele derivaţilor cloruraţi şi bromuraţi prezintă o amprentă extrem de caracteristică în zona ionului molecular. Aspectul spectrului în zona ionului molecular al compuşilor conţinând atomi de clor şi brom este prezentat în tabel. În Anexa 3 sunt prezentate abundenţele izotopice pentru diferite combinaţii de atomi de clor şi brom. Ionii moleculari ce conţin atomi de clor sau brom prezintă picuri izotopice separate de câte 2 u.a.m. Raportul intensităţii semnalelor depinde de numărul şi natura atomilor de halogen.

58

Aspectul picurilor din regiunea ionului molecular al combinaţiilor conţinând atomi de clor şi/sau brom

59

Prezenţa iodului într-o moleculă este evidenţiată de existenţa unui pic la m/e 127 (I+), însoţit de un semnal situat la M-127. La compuşii halogenaţi analogi, abundenţa ionului molecular creşte de la derivaţii fluoruraţi la cei ioduraţi. Această tendinţă este determinată de faptul că fluoro-derivaţii prezintă cea mai înaltă energie de ionizare iar ionul molecular format se fragmentează cu consumul energetic cel mai redus dintre toţi ionii moleculari ai compuşilor halogenaţi. Abundenţele ionilor moleculari descresc rapid cu creşterea catenei sau a ramificării. În general, ionii moleculari ai compuşilor cu catenă liniară mai lungă de şase atomi de carbon au intensitate prea slabă pentru a putea fi utilizate caracteristicile imprimate de amprenta izotopică. Caracteristici ale derivaţilor cloruraţi:a. ionul molecular este decelabil numai la clorurile inferioare;b. fragmentarea ionului molecular este influenţată de atomul de clor, însă într-o măsură mult mai mică decât în cazul compuşilor ce conţin atomi de oxigen, sulf sau azot;c. scindarea legăturii C-Cl conduce la un ion Cl+ (m/e 35 şi 37), ce prezintă abundenţă redusă la derivaţii cu mai mult de cinci atomi de carbon;

60

Caracteristici ale derivaţilor bromuraţi:

• procesele suferite în spectrometrul de masă de către derivaţii bromuraţi sunt similare celor suferite de către derivaţii cloruraţi;

• fragmentarea preferată este scindarea de Br..

Caracteristici ale derivaţilor ioduraţi:• abundenţa ionului molecular este cea mai intensă comparativ cu

ceilalţi derivaţi halogenaţi cu structură asemănătoare. Deoarece iodul este monoizotopic, nu apar picuri izotopice;

• la derivaţii poliioduraţi apar distanţe anormal de mari între picurile intense;

• sunt caracteristice picurile m/e 127 (I+), M-127 (M-I)

61

Spectrul de masă al tetraclorurii de carbon.

62

Derivaţi halogenaţi aromaticiPicul ionului molecular al halogenurilor de aril este foarte intens.Principalele scindări ale derivaţilor cloruraţi, bromuraţi şi ioduraţi implică eliminarea de atomi liberi de halogen sau HX. Picurile M-X sunt întotdeauna intense pentru compuşii ce conţin atomi de halogen legaţi direct de nucleul aromatic. Acest fapt este ilustrat, de exemplu, în spectrul 1,3,5-triclorbenzenului.

Fragmentările derivaţilor floururaţi au loc, de obicei, cu transpoziţii complexe ale scheletului hidrocarbonat.

Spectrul de masă al 1,3,5-triclorobenzenului

63

Halogenurile de aril substituite permit fragmentări ce depind de tipul de substituent asociat şi, în special, de competiţia dintre tăria legăturilor din substituent şi tăria legăturilor carbon-halogen. De exemplu, halo-toluenii (halogen = -Cl, -Br, -I) scindează preferenţial halogen, în timp ce fluoro-toluenii scindează preferenţial hidrogen:

64

Ionul molecular al halogenurilor de benzil este, de obicei, detectabil. Formarea ionului benzil (sau tropiliu) în urma scindării unui atom de halogen reprezintă principalul mod de fragmentare. Formarea ionilor de tip tropiliu are loc chiar dacă atomul de halogen este plasat în poziţia sau a catenei alchil (exceptând cazul compuşilor ioduraţi ce scindează preferenţial un atom de iod ca urmare a unei energii de legătură scăzute):

65

Spectrul de masă şi principalele fragmentări ale 4-clorobenzofenonei. Este evidentă amprenta izotopică (picuri ale căror intensităţi sunt în raport de 3:1, distanţate de 2 u.a.m.) ce apare la toţi ionii ce conţin un atom de clor).

66

Alcooli• Picul molecular al alcoolilor primari şi secundari este puţin intens; cel al

alcoolilor terţiari este nedetectabil. Ca urmare a deshidratării, este posibilă confundarea picului M-18 cu cel al ionului molecular. Apar uneori picuri de intensitate scăzută la M-2 ( ) şi M-3 .

• Ionul molecular rezultă în urma expulzării unuia dintre electronii neparticipanţi ai oxigenului.

• Scindarea cea mai probabilă are loc la legătura C-C vecină atomului de oxigen (scindare în ). Astfel:

• - alcoolii primari prezintă un pic intens la m/e 31:

R CH O (R C O )

alcoolii secundari şi terţiari scindează, similar, la fragmente R - CH = O+ (m/e 45, 59, 73 etc) şi R2 C = O+ (m/e 59, 73, 87 etc). În principiu, este eliminat substituentul cel mai mare:

67

Eliminarea de apă. Ca urmare a pierderii unei molecule de apă, apar de obicei picuri intense la M-18. Pierderea de apă este un rezultat atât al deshidratării termice, catalizate de pereţii metalici ai aparatului, cât şi al impactului electronic. În cazul deshidratării termice, procesul este o eliminare 1,2. Scindarea apei sub acţiunea impactului electronic este o eliminare 1,4 ce decurge, probabil, printr-o stare de tranziţie ciclică:

Intensitatea picului M-18 este cea mai mare în spectrele alcoolilor primari. Butanolul şi omologii superiori prezintă picuri intense M-(H2O + alchenă) ce apar la m/e M-46, M-74, M-102 etc:

68

Alcoolii aromatici şi omologii lor substituiţi prezintă un pic molecular distinct. Alcoolul benzilic prezintă un pic intens la m/e 107 (M-1) rezultat din scindarea nespecifică a unui atom de hidrogen din diverse poziţii ale ciclului şi unul mai puţin intens la m/e 105 (M-3) rezultat prin pierderea celor 3 atomi de hidrogen ai grupei hidroximetil. Eliminarea unui radical OH (cu formarea picului benzilic m/e 91) sau chiar a unei molecule de apă este un proces mai puţin favorabil ca în cazul alcoolilor alifatici. Pierderea de CO şi apoi de hidrogen explică picurile intense de la m/e 79 şi 77.

69

Fenoli

Picul molecular este intens; prezenţa unor substituenţi alchil pe nucleul aromatic (cum ar fi, de exemplu, cazul crezolilor) poate conduce la un ion hidroxitropiliu (M-1) cu abundenţă mai mare decât cea a ionului molecular.

Ionul molecular pierde frecvent CO (M-28) şi CHO (M-29). Aceste tranziţii sunt evidenţiate şi de prezenţa picurilor metastabile.

Pierderea unei grupe metil este un proces mai favorabil decât pierderea unui atom de hidrogen de la C.

Schema 6.4 şi figura 6.13 prezintă principalele fragmentări şi, respectiv, spectrul de masă ale 2-etil-4-metilfenolului. Fragmentările ca fenol, pe de o parte, şi ca alchil benzen, pe de altă parte, sunt evidente.

70

Spectrul de masă al 2-etil-4-metilfenolului

FenoliPicul molecular este intens;

prezenţa unor substituenţi alchil pe nucleul aromatic (cum ar fi, de exemplu, cazul crezolilor) poate conduce la un ion hidroxitropiliu (M-1) cu abundenţă mai mare decât cea a ionului molecular.Ionul molecular pierde frecvent CO (M-28) şi CHO (M-29). Aceste tranziţii sunt evidenţiate şi de prezenţa picurilor metastabile.Pierderea unei grupe metil este un proces mai favorabil decât pierderea unui atom de hidrogen de la C.Fragmentările ca fenol, pe de o parte, şi ca alchil benzen, pe de altă parte, sunt evidente.

71

Compuşi cu azotAmineDatorită electronegativităţii mai scăzute, pierderea unuia dintre electronii

neparticipanţi ai azotului are loc mai uşor decît în cazul oxigenului (de exemplu, potenţialul de ionizare al etilaminei este mai scăzut decât cel al etanolului).

Picul ionului molecular al monoaminelor alifatice este puţin intens sau nedetectabil; ca urmare a tendinţei accentuate de protonare, ionul M+1 este adesea decelabil.

Scindarea legăturilor C-C vecine atomului de azot, ce implică expulzarea unui radical alchil, conduce la ioni cu abundenţă relativă mare (pic de bază la toate aminele primare, secundare şi terţiare nesubstituite la C). Scindează preferenţial radicalul cel mai substituit şi se formează ioni care aparţin seriei m/e 30, 44, 58, 72 etc:

72

Aminele secundare prezintă un pic abundent la m/e 44, rezultat printr-o dublă scindare şi migrarea unui atom de hidrogen:

Ionul >C=N<+, rezultat prin scindarea legăturii C-C, poate suferi o transpoziţie McLafferty cu formarea unor ioni cu abundenţă relativă scăzută.

73

Ionul molecular al aminelor aromatice este foarte intens datorită, în special, posibilităţii de stabilizare prin rezonanţă. Picul M-1 este intens; în anumite condiţii, acesta poate deveni pic de bază, cum ar fi, de exemplu, cazul amino-toluenilor ce pot forma ioni amino-tropiliu. În celelalte cazuri ionul M-1 provine din pierderea unui atom de hidrogen de la atomul de azot. În cazul aminelor primare, pierderea de .NH2 este neglijabilă, procesul predominant implicând pierderea unei molecule de HCN din ionul molecular (apar picuri metastabile), cu formarea unui ion ciclopentadienic care se transformă, prin expulzarea unui atom de hidrogen (apar picuri metastabile) într-un cation ciclopentadienil. Anilinele alchilate la nucleu suferă, preferenţial, o scindare de tip tropilic, cu formarea ionului amino-tropiliu. Procesele prezentate sunt evidenţiate de fragmentările şi spectrul o-toluidinei.

74

Compuşi carboniliciAldehide6.8.1.1. Aldehide alifaticeIonul molecular şi ionul M-1 au, de obicei, abundenţă mare.Scindarea legăturilor C-H şi C-C vecine oxigenului conduc la picurile M-1 şi,

respectiv, M-R (m/e CHO+). Dacă picul M-1 este caracteristic chiar şi pentru aldehidele superioare, picul m/e 29 este ionul CHO+ pentru aldehidele C1-C3 şi ionul C2H5

+ pentru termenii superiori.Începând cu C4, picul de bază rezultă adesea în urma unui rearanjament McLafferty,

ce produce ioni cu sarcina pozitivă pe atomul de oxigen şi care apar la m/e 44, 58, 72 etc. Atunci când sarcina revine fragmentului olefinic, ionul care apare este, de asemenea, intens (M-44, M-58, M-72 etc):

75

Aldehidele cu catenă liniară prezintă picuri caracteristice la M-18 (M-H2O), M-28 (M-etenă), M-43 (M - CH2=CH-O.) şi M-44 (M - CH2=CH-OH).

Creşterea lungimii lanţului amplifică amprenta părţii hidrocarbonate.În figura 6.21 sunt prezentate spectrele aldehidei propionice (a) şi butirice (b). Se observă diferenţa ce apare ca urmare a trecerii la compuşi capabili să dea rearanjamente McLafferty.

76

Ionul molecular al aldehidelor aromatice este foarte intens; ionul (M-1)+, rezultat prin scindarea legăturii C-H (scindare ), este, de obicei, mai proeminent decât ionul molecular. Fragmentările ulterioare sunt caracteristice substraturilor aromatice:

Picul m/e 29 (CHO+) este, de obicei, foarte puţin intens.

77

CetoneCetone alifatice

Ionul molecular, având intensitate medie, este uşor de evidenţiat.Picul de bază provine, de obicei, din scindarea legăturii C-C adiacente legăturii

>C=O; sarcina rămâne pe ionul aciliu, stabilizat prin rezonanţă. Deoarece ionul R-CO+ este mai stabil comparativ cu H-CO+, această scindare este mai importantă decât în cazul aldehidelor:

Picurile corespunzătoare apar la m/e 43, 57, 71 etc. Preferenţial, scindează cel mai lung radical, ionul rezultat formând, adeseori, picul de bază.

Dacă unul din radicalii alchil ai grupei >C=O este C3 sau mai lung, apar picuri intense la m/e 58, 72, 86 etc, determinate de un rearanjament McLafferty:

78

Ionul molecular al cetonelor aromatice este intens.Scindează preferenţial legătura C-C din faţă de inel, cu formarea unui fragment caracteristic Ar-CO+, stabilizat prin rezonanţă Acesta pierde CO şi formează cation arilic.Alchil-aril cetonele, în care radicalul alchil este C3 sau mai lung, dau transpoziţii McLafferty ce implică întotdeauna numai legătura dublă carbon-oxigen şi nu legătura dublă din ciclu:

Benzofenonele prezintă, de obicei, şi o transpoziţie de schelet cu eliminare de CO:

79

Acizi carboxiliciAcizi carboxilici alifatici

Deşi are intensitate slabă, picul ionului molecular al acizilor saturaţi cu catenă liniară este, de obicei, uşor de identificat.Intensitatea picului molecular creşte cu creşterea masei moleculare (o excepţie o formează acidul valerianic).Picul de bază rezultă, de obicei, în urma unui rearanjament McLafferty şi apare la m/e 60 la acizii neramificaţi la C şi la 59+R la acizii ramificaţi la C (R este masa radicalului de la C):

80

Picurile de la M-17 (M-OH), M-18 (M-H2O) şi M-45 (M-CO2H) ale acizilor inferiori sunt intense; ele provin din scindarea legăturilor vecine grupei CO. În cazul acizilor superiori, spectrul conţine două serii de picuri ce rezultă prin scindarea fiecărei legături C-C, sarcina fiind preluată fie de fragmentul ce conţine oxigen (m/e 45, 59, 73, 87 etc), fie de fragmentul alchil (m/e 29, 43, 57, 71, 85 etc).

Acizii neramificaţi, cu peste 5 atomi de carbon în moleculă, prezintă un pic caracteristic la m/e 73, rezultat în urma unei duble transpoziţii de atomi de hidrogen:

Picurile M-29 şi M-43, ce apar frecvent în spectrele acizilor alifatici, nu rezultă prin scindare de radicali etil sau propil de la coada lanţului alifatic. Marcarea atomului de carbon de la C a demonstrat că scindarea fragmentelor de masă 29 şi 43 are loc din interiorul lanţului:

81

Spectrul de masă al acidului palmitic

Acizi carboxilici aromaticiPicurile M, M-17 şi M-45 sunt intense.Pierderea de apă este nesemnificativă, cu excepţia cazurilor când o grupare ce

conţine atomi de hidrogen este prezentă în poziţia orto (“efect orto” - efect ce apare la derivaţi aromatici 1,2-substituiţi şi care se manifestă, în general, prin scindarea unei molecule neutre de H2O, ROH, NH3, prin intermediul unei stări de tranziţie în 6 centre):

82

EsteriEsteri alifaticiPicurile moleculare depind de structura esterilor. Esterii acizilor graşi cu alcooli

inferiori au picuri moleculare intense; cei ai acizilor inferiori cu alcooli superiori au picuri moleculare puţin intense sau nedecelabile. Frecvent, şi mai ales atunci cînd se utilizează o cantitate mare de probă pentru decelarea ionului molecular, datorită reacţiilor ion-moleculă, valorile determinate pentru picurile M+1 sunt superioare celor calculate.

Picul cel mai caracteristic este determinat de o rearanjare McLafferty:

83

Ionul R+ este intens în esterii inferiori; intensitatea sa scade cu creşterea catenei, ionul fiind practic nedecelabil în hexanoatul de metil. Ionul R-CO+ este caracteristic pentru esteri. În esterii metilici el apare la M-31. Este picul de bază în acetatul de metil şi mai reprezintă încă 4 % din picul de bază în C26H33COOCH3. Ionii [OR1]+ şi [COOR1]+ au o importanţă redusă.

În cazul esterilor la care radicalul acidului predomină în moleculă, fragmentarea este foarte asemănătoare cu cea a acizilor corespunzători. Scindarea succesivă a legăturilor C-C formează ioni alchil CnH2n+1

+ (m/e 29, 43, 57 etc) şi ioni oxigenaţi CnH2n-1O2

+ (59, 73, 87 etc).

1. Scindarea legăturii vecine grupei CO poate conduce la formarea a patru ioni:

84

Esterii în care radicalul alcoolului predomină, elimină o moleculă de acid în acelaşi mod în care alcoolii elimină apă. Un mecanism alternativ presupune transferul unui ion hidrură la oxigenul carbonilic (transpoziţie McLafferty):

Din acest motiv, frecvent, esterii acidului acetic nu prezintă ioni moleculari detectabili. Esterii alcoolilor ce conţin atomi de hidrogen în şi prezintă picuri caracteristice la m/e 61, 75, 89, 103, provenite din eliminarea radicalilor alchil şi transferul a doi atomi de hidrogen la fragmentul ce conţine atomi de oxigen. Adeseori, aceşti ioni formează picul de bază, identificarea lor oferind posibilitatea stabilirii componentei acide a esterului:

85

Spectrul de masă al octanoatului de metil

86

Esteri ai acizilor aromaticiPicul molecular este intens; intensitatea acestuia descreşte cu creşterea lanţului provenit din alcool, devenind practic zero la C5.

Picul de bază apare în urma eliminării de ; eliminarea de produce picuri de intensitate mare. În esterii metilici, acestea apar la M-31, respectiv M-59.

Esterii orto-substituiţi elimină ROH prin "efect orto". Odată cu creşterea lanţului alcoolului, devin importante trei tipuri de scindări:a) rearanjări McLafferty:

RO .COOR

b) transpoziţia a doi atomi de hidrogen cu eliminarea unui fragment alilic:

c) Păstrarea sarcinii pe fragmentul alchil: