INTRODUCCION Método fundamental de análisis desde ∼1970 (1910, Thompson: 20Ne y 22Ne) No es una Espectroscopía → No hay absorción de radiación En Espectrometría de masas se producen reacciones unimoleculares competitivas y consecutivas → La EM viene determinada por la reactividad química Se basa en la determinación de masas de iones individuales (generalmente en estado gaseoso) Los problemas experimentales mas importantes se centran en : • Volatilización de los compuestos • Ionización (molécula neutra → molécula cargada) Utilidad mas importante: Permite determinar, con cantidades muy pequeñas de muestra (∼ ∼10-6g), el peso molecular de una sustancia y en muchos casos su fórmula molecular Un espectro de masas es: Un registro de la masa de una serie de iones que se forman en la fragmentación de una especie molecular creada por colisión de una molécula con una partícula de alta energía El método de ionización mas frecuentemente utilizado consiste en bombardear la muestra en fase gaseosa con un haz de electrones de alta energía ⇒ Espectrometría de masas por impacto electrónico (EI). - Al colisionar la muestra (M) con un e , puede suceder: -· M + 1e - → [M] M + 1e - → [M] Anión-radical +· - + 2e Catión-radical (base de la EM por IE) El catión radical así formado, tiene la misma masa que la molécula inicial y se denomina Ión Molecular. También, aunque con muy baja probabilidad, se podría producir un ión molecular con dos cargas positivas: - +· M + 1e → [ M ] 2 + 3e - sin embargo, la mayoría de las moléculas se ionizan a [ M ] +· y los iones que se forman por fragmentación posterior también son monovalentes (z = 1)→ →m/z=m - La energía de los e responsables de la ionización se puede variar entre 0 y 300 eV (1eV ≈ 23Kcal/mol ≈ 96 KJ/mol). Para producir ionización suele ser suficiente una energía de 10-12 eV. En la práctica se emplean energías mucho mas altas (≈ 70 eV) y el exceso de energía da lugar a posteriores fragmentaciones del [ M ] +· (la fuerza de un enlace sencillo en Q. Orgánica no suele superar los 4eV). • Las fragmentaciones del ión molecular pueden dar lugar a: A+(catión) + B· (radical) ← [ M ]+· → C+· (catión-radical) + D (molécula neutra) • En EM solo se detectan especies con carga positiva : M+·, A+, C+· y los fragmentos iónicos resultantes de posteriores +· fragmentaciones de A+ y C serán las señales que se observen. (El ión molecular también puede dar lugar a transposiciones) Ejemplo: Benzamida O +· O NH2 + e- C6H5· NH2 -2e - + O NH2 M + · - 77 (m/z = 44) M + · (m/z = 121) · NH2 O + CO + M + ·- 16 - 28 M + · - 16 (m/z = 77) (m/z = 105) 77 Pico base 105 Pico molecular 121 51 44 ESPECTRÓMETRO DE MASAS Un espectrómetro de masas por IE y de sector magnético consta de cuatro partes fundamentales: Sistema de introducción de muestras Cámara de ionización (generación de iones) Analizador (separador de iones según su relación m/z) Detector de iones y sistema de registro Haz de electrones Sistema de introducción de muestras Generación de iones Analizador separación de iones Colector de iones Detector de iones y sistema de registro Muestras Deben poseer cierta volatilidad (en las condiciones de alto vacío empleadas) y estabilidad térmica para que la ionización se produzca en estado de vapor. La estabilidad térmica es importante para evitar : • La descomposición antes de la ionización y • La posibilidad de que el compuesto experimente reacciones por vía térmica Introducción de muestras Existen dos métodos principales: π Introducción indirecta o gaseosa (gas inlet): para muestras líquidas o gaseosas π Introducción directa (direct inlet) en la cámara de ionización: para muestras líquidas y sólidas Bomba de vacío Sistema de introducción de muestras Muestra Rendija Inyector Depósito de almacenamiento Cantidad de muestra Introducción directa : 0.1-1 mg Introducción indirecta 0.001-0.1 mg -6 A través de GC, LC: 10 -10 -12 mg Generación de Iones Un flujo constante de moléculas vaporizadas penetra en la fuente iónica donde son alcanzadas por una corriente de electrones dirigida perpendicularmente (producida por un cátodo caliente y un ánodo). - La interacción entre los e acelerados y las moléculas neutras da lugar a los iones moleculares y estos por posteriores fragmentaciones y transposiciones conducen a otras especies cargadas positivamente. Los iones así formados, se: aceleran aplicando una diferencia de potencial entre la fuente iónica (210 kV) y la rendija de salida (0 V) y enfocan para abandonar la cámara de ionización con un campo electrostático adicional Generación de iones Cátodo incandescente Placas aceleradoras de iones Placa de enfoque de iones Placa de repulsión Aceleración de iones Haz de electrones ánodo Cámara de ionización De esta forma , se genera una corriente iónica homogénea y enfocada que se dirige al analizador. La velocidad de los iones viene dada por: ν= 2·z·U m ν - Velocidad del ión z - Carga del ión (= n·e) m - Masa del ión U - Potencial de aceleración Separación de masas En el analizador, se separan los iones según sus relaciones m/z (como en general z = 1, la separación es en función de sus masas). Un campo magnético generado por un electroimán hace que los iones de igual carga, describan trayectorias de diferentes radios en función de sus masas. El radio de curvatura, rm, cumple la siguiente relación: rm = m·ν z·B B - Intensidad del campo magnético De las dos ecuaciones anteriores, se deduce la ecuación fundamental de la EM : m z = rm2. B 2 2U Detección de los Iones • Si B y U se hacen constantes, m/z es directamente proporcional a rm : m . 2 z = k rm Este método permite detectar los iones empleando distintos colectores individuales para cada m/z ó m (z=1) o placas fotosensibles donde los impactos de los iones producirán manchas de distinta intensidad. Amplificador Detección y registro de los iones Colectores Placa fotosensible Iones ligeros Iones pesados • Si rm y U se hacen constantes, m/z es directamente proporcional a B : m k·B z = A la salida del analizador se coloca un colector de iones por donde van pasando los distintos iones, con distintos valores de m/z (=m) según el valor de B (para un valor de B, solo los iones con una determinada relación m/z pasan a través del analizador sin chocar con las paredes y llegar al colector). Pico base Pico molecular Las señales que llegan al colector son débiles por lo que se amplifican y a continuación se registran sobre un papel fotosensible móvil o se almacenan en un ordenador para su posterior elaboración y registro. Los datos obtenidos se pueden: Representar en forma de tabla, dando la lista de las masas que corresponden a cada pico y su intensidad relativa. Dibujarse como un espectro. Un espectro EM es un registro de las distintas relaciones m/z (=m) frente a las abundancias relativas de cada ión. # Pico base: es el mas intenso del espectro, se le asigna una intensidad del 100% y se calcula el % de los demás respecto a él. +· # Pico molecular: es el que corresponde al ión molecular (M ) Pm. En el momento actual, existen en el mercado diferentes tipos de espectrómetros de masas que se diferencian fundamentalmente en : Método de ionización de la muestra Sistema analizador MÉTODOS DE IONIZACIÓN La ionización por IE da lugar a una extensa fragmentación que si bien puede aportar muchos datos en la caracterización de un compuesto (especialmente si el compuesto es conocido y su EM esta disponible para compararlo en un ordenador) tiene una gran desventaja: la ausencia frecuente del Ión Molecular (ausente en moléculas de Pm<300 en 10-20% de los casos) o su escasa abundancia (a veces del 1-2%) que hace que se pueda confundir con una impureza. Existen otros métodos de ionización que se indican a continuación: Muestra Método Ionización Siglas Volatilizable y GC Impacto Electrónico EI Ionización Química CI De difícil (o volatilización imposible) Ionización de campo FI Ionización a presión atmosférica Ionización por electroespray (Electropulverización) ESI Desorbción de campo FD Desorbción por láser LDI Espectrometría de masas de iones secundarios SIMS Bombardeo con átomos rápidos FAB Ionización química directa DCI Termodesorbción TD Termospray (pulverización térmica) TSI En la bibliografía recomendada se puede encontrar información acerca de todos ellos. A continuación comentaremos dos de los métodos mas utilizados. IE H3C NH2 H3C C OH O Leucina (M = 131) M+. [M+H]+ Ionización química Desorbción de campo [M+H]+ Ionización Química (CI) Se pasa un gas reactivo (por ejemplo: Metano, isobutano o amoníaco) a la 2 2 cámara de ionización a ~10 N/m y se ioniza por impacto electrónico: CH4 + e- CH4+· + 2e- tienen lugar algunas fragmentaciones: CH4+· CH3+ + H · Los iones producidos pueden, a diferencia de la espectrometría de masas por EI y debido a la alta presión a que se encuentran, colisionar con moléculas neutras. Las reacciones bimoleculares mas importantes son: CH4+· + CH4 CH5+ + ·CH3 CH3+ + CH4 C2H5+ + H2 Cuando la muestra M se volatiliza en esta mezcla de iones, el CH5+ actúa como un ácido fuerte y protona la muestra: CH5+ + M MH+ + CH4 La especie MH+ fragmenta dando lugar a un espectro de masas por CI. Variando el gas de reacción se puede controlar la tendencia del ión MH+ a fragmentarse. En isobutano el ion que origina la protonación es el C4H9+ y en amoníaco el NH4+. Cuando se emplean gases nobles, CO2 ó N2, en lugar de producirse la protonación de M, el proceso observable es un intercambio de carga (CE, charge echange) : [He]+· + M [M]+· + He Ionización por bombardeo con átomos rápidos (FAB, Fast-Atom Bombardment) Se emplea para sustancias de difícil volatilización, consiste en lanzar átomos neutros acelerados (Ar, Xe) sobre una fina película de la muestra disuelta en una matriz de baja solubilidad (por ejemplo glicerina). Los átomos acelerados chocan con la muestra produciendo iones cuasi moleculares y fragmentos iónicos tanto de la muestra como de la matriz. + El ión molecular generalmente no se observa, pero los iones [M+H] + son intensos. También se observan iones del tipo [M + (glicerina)n] (agregados de la muestra con la matriz). Analizador + Haz de iones + "Acelerador de átomos" + Haz de átomos neutros Muestra Matriz ANALIZADORES. RESOLUCION Los equipos como el comentado anteriormente llevan un analizador magnético y se denominan de Deflexión Magnética o de Enfoque Simple y en general se caracterizan por se de baja resolución. La Resolución se define como : R= Mn - Masa de un pico ∆M = Mn - Mm Mn ∆M Diferencia de masa entre dos picos de ≈ intensidad adyacentes y perfectamente separados o bien que solapen ≤ 10% : h H x 100 < 10% • Los equipos de baja resolución son aquellos capaces de separar masas unitarias (picos con ∆M = 1) hasta m/z = 1000-2000 (R = 1.0002.000). Algunos equipos de baja resolución emplean un analizador de cuadrupolo, particularmente cuando están acoplados a GC y/o HPLC, debido a su bajo costo y fácil manejo. • Un equipo se considera de alta resolución cuando es capaz de resolver dos picos correspondientes a iones con R ≥ 10.000 - 15.000. Un equipo con R = 10.000 resuelve señales de iones con masas 500 y 499,95. Para conseguir un espectrómetro de alta resolución, no es suficiente un analizador magnético, es necesario colocar un analizador electrostático antes o después del analizador magnético: Espectrómetro de doble enfoque, se pueden conseguir así resoluciones de hasta 150.000. Analizador de masas cuadrupolar Espectrómetro de doble enfoque ACOPLAMIENTO CROMATOGRAFIA-ESPECTROMETRIA DE MASAS Los espectrómetros de masas se utilizan como detectores en cromatografía de gases (GC) y en cromatografía de líquidos (LC) por su capacidad para detectar pequeñas cantidades de muestra. Acoplamiento GC/MS La combinación GC/MS es hoy día un método rutinario de análisis en Química Orgánica. Cualquier tipo de columna (capilar o de relleno) se puede conectar al espectrómetro; con columnas de relleno la unión cromatógrafoespectrómetro precisa de una válvula reductora del gas portador. Para utilizar la técnica GC/MS se precisa: Que las sustancias a analizar sean térmicamente estables Muy poca cantidad de muestra (10-9 - 10-15 g) Esquema de trabajo en GC/MS: En el cromatógrafo se separan los componentes de la mezcla La columna del cromatógrafo se encuentra en una cámara termostatizada (horno de GC) de temperatura variable (hasta ∼ 200ºC) El extremo de la columna se conecta a la fuente iónica del espectrómetro y los componentes de la columna se ionizan directamente (on-line) y se registran sus espectros. La unión entre el cromatógrafo y el espectrómetro (interfase) es corta, y se calienta a ∼ 20ºC por encima de la temperatura del horno del cromatógrafo para evitar que los compuestos separados puedan volver a mezclarse. Para registrar los espectros de todos los compuestos de la mezcla se realizan tantos barridos de masas automáticos como sean posibles y se almacena la información en un ordenador. La determinación estructural de los componentes de la mezcla se lleva a cabo por comparación, asistida por ordenador de los espectros obtenidos con los de la biblioteca informática. EL IÓN MOLECULAR En general corresponde a la señal que aparece a mayor masa. A partir de él, se determina el peso molecular y en muchos casos la fórmula molecular del compuesto objeto de estudio. A veces aparecen picos [M+1]+ = [M + H]+ por reacción de las moléculas con H+ (importante en aminas y alcoholes) · En EM por EI muchas veces no se observa M+ y hay que deducirlo de algún + pico [M- R] . El pico molecular puede estar constituido por uno o varios picos isotópicos que se encontrarán a masas mas elevadas. La mayoría de los elementos químicos están constituidos por una mezcla, en distintas proporciones, de diversos isótopos (ver tablas) y esto se refleja en sus espectros de masas: • Cada pico irá acompañado de otros debido a los diferentes isótopos de los distintos elementos que constituyen el compuesto. • La intensidad de cada pico isotópico es proporcional a la abundancia relativa de los isótopos que contribuyen a su existencia Los principales elementos que constituyen los compuestos orgánicos se pueden clasificar en tres grupos : 19 Elementos monoisotópicos: F, 31 P, 127 I 1 12 14 16 Elementos con un isótopo predominante (>98%): H( H), C( C), N( N), O( O) 32 34 35 37 79 81 Elementos con dos isótopos principales: S( S, S), Cl( Cl, Cl), Br( Br, Br) Ejemplo: para el ión molecular de un compuesto C7H6ClNO, cabría esperar picos desde m/z=155 hasta m/z=173 : m/z=155 12 m/z=156 1 35 14 16 C7 H6 Cl1 N1 O1 (1) 12 C613C11H635Cl114N116O1 (2) +12C71H52H135Cl114N116O1 (3) 12 1 35 15 16 + C7 H6 Cl1 N1 O1 (4) 12 1 35 14 17 C7 H6 Cl1 N1 O1 + m/z=156 (5) 12 C513C21H635Cl114N116O1 (6) +12C71H42H235Cl114N116O1 (7) 12 1 37 15 16 + C7 H6 Cl1 N1 O1 (8) 12 1 35 14 18 C7 H6 Cl1 N1 O1 + 13 12 1 2 35 14 14 16 (9) 16 + C6 C1 H5 H1 Cl1 N1 O1 (10) +..... m/z=156 12 13 1 13 2 37 37 C6 C1 H6 Cl1 N1 O1 ........ m/z=173 Sin 15 18 C7 H6 Cl1 N1 O1 embargo, algunas de las combinaciones anteriores tienen muy poca importancia debido a que las contribuciones de algunos isótopos son muy pequeñas. Las contribuciones mas importantes son 1, 2, 8 y 11 y la que corresponde a m/z=173 posee muy escasa participación, pues en ella los átomos de todos los elementos aparecen como el isótopo menos abundante. La zona del ión molecular del espectro de masas del compuesto anterior sería: (11) La aplicación mas interesante de los picos isotópicos es la ayuda que suponen en la determinación de la fórmula molecular en espectrómetros de baja resolución: ρ A partir de la intensidades de M y de M+1 se puede determinar el número máximo de átomos de C Cmáx.= (M+1) x 100 M x 1.1 M+1 : Intensidad del pico M+1 M : Intensidad del pico molecular El pico M+1 debe interpretarse con precaución, pues en él no solo participa el contenido en la muestra, existen contribuciones adicionales entre las que cabe destacar: 13 C a) La existencia en algunos compuestos de reacciones de transferencia protónica que dan lugar a productos secundarios [M+H+] b) La pequeña contribución de los átomos de 2H y 15N ρ A partir de la relación de intensidades entre M y M+2 (fundamentalmente) es posible detectar elementos (clase y número) con una abundancia relativa alta en isótopos pesados: S, Si, Cl, Br. Por ejemplo : Cuando una molécula contiene 1 átomo de Br aparecen M y M+2 con la misma intensidad pues 79Br y 81Br tienen la misma abundancia natural. Al pico M+2 también contribuye, aunque en mucha menor proporción, el 18O. Br (Pm 157) M / M+2 156/158 ρ Si el compuesto objeto de análisis solo contiene C, H, N, O, F, P, I ; las intensidades de los picos [M+1] y [M+2] cumplen las siguientes relaciones: %(M+1) = 100 (M+1) _ 1.1 x nº de C + 0.36 x nº de N (M) %(M+2) = 100 (M+2) (M) _ (1.1 x nº de C)2 200 + 0.2 x nº de O En compuestos que solo contienen C, H, O el ión molecular aparece a un valor m/z par. En compuestos con C, H, O y N, si el nº de N es impar, el ión molecular aparece a valor m/z impar mientras que si el nº de N es par, el ión molecular aparece a un valor m/z par. El seleccionar las fórmulas moleculares apropiadas para una determinada masa se lleva a cabo con ayuda de tablas (Beynon) en las que aparecen listados de fórmulas moleculares (masas : 12 - 500, mayor efectividad para masas < 250) y el % de intensidad de M+1 y M+2 para diferentes combinaciones de C, H, N y O Reconocimiento del Ión Molecular +· Para el reconocimiento de M resultan útiles las siguientes consideraciones: • Pico de mayor masa que contenga todos los elementos reconocibles en los fragmentos. • Su masa resulta de la suma de las masas de los átomos que lo constituyen empleando para cada uno de ellos el isótopo natural mas abundante. • Va acompañado de señales isotópicas. • Ión con mas bajo potencial de aparición • Puede ser un pico muy débil o incluso no aparecer (por ejemplo, los alcoholes alifáticos pierden H2O con facilidad), en estos casos se considerarán como posibles M +· solo aquellas masas que den lugar a fragmentos con una ∆m químicamente significativa (por ejemplo : ∆m=18 en alcoholes) • La intensidad del ión molecular depende de la estabilidad del ión molecular: A ↑ estabilidad → ↑ intensidad (ejemplo : Hc. Aromáticos) +· Al ↓ la estabilidad → ↓ intensidad de M y ↑ las fragmentaciones +· • Cuando M es muy débil, o existen varios picos que puedan corresponder al - ión molecular, se puede registrar un nuevo EM ionizando la muestra con e de menor energía, así ↓ fragmentaciones y ↑ intensidad de M +· Determinación de la masa molecular exacta Los espectrómetros de baja resolución permiten determinar la masa molecular nominal (o entera) y teniendo en cuenta las consideraciones realizadas anteriormente, pueden conducirnos a la fórmula molecular de compuestos orgánicos con Pm no muy elevados. Los espectrómetros de alta resolución, como ya comentamos, permiten resolver picos muy próximos, con diferencias de masas muy pequeñas. Las masas atómicas exactas de los isótopos mas abundantes no son números enteros, salvo la del 12 C que es por convenio la que se toma como referencia y es exactamente 12. Por esta razón aunque distintos compuestos pueden tener la misma masa molecular nominal difieren en la masa molecular exácta y pueden diferenciarse en un EM de alta resolución. Por ejemplo: CO N2 CH2=CH2 poseen masa nominal 28, pero que de acuerdo con los pesos atómicos exactos de sus elementos constituyentes poseen distintos pesos moleculares exactos : 1 1.00782 CO 27.9949 16 15.9949 N2 28.0062 14 14.0031 C2H4 28.0313 12 12.0000 H O N C y con un equipo de alta resolución es posible separarlos. La resolución que se necesitaría en este caso no es muy grande pues los Pm son muy pequeños: R (CO/N2)= 28.0062 / 28.0062-27.9949 = 2478.42 R (CO/C2H4) = 28.0313 / 28.0313-27.9949 = 770.09 R (N2/C2H4) = 28.0313 / 28.0313-28.0062 = 1116.79 La determinación de la masa molecular exacta en un espectrómetro de alta resolución permite, empleando programas de cálculo adecuados, determinar fórmulas moleculares de moléculas complejas APLICACIÓN DE LA ESPECTROMETRIA DE MASAS A LA DETERMINACION DEL MARCAJE ISOTOPICO Los compuestos marcados tienen diversas utilidades : Determinar la existencia de un determinado grupo funcional y su posición en la molécula. Investigar mecanismos de reacciones o de fragmentaciones espectroscópicas Los compuestos marcados se obtienen por reacciones químicas de 2 13 compuestos no marcados con reactivos marcados preferentemente con H, C, 15 18 N y O. Por ejemplo: R N CH3 CD3 R' R CH3 +N CD3 R _ I ∆ R N CH3 + N CD3 + CH3 + CD3 R' R' R 1 13 Utilizando métodos espectroscópicos (IR, H-RMN, C-RMN) se puede determinar si la incorporación del átomo pesado ha tenido lugar en la posición correcta. Por espectrometría de masas se puede saber el contenido en isótopo pesado (grado de marcaje), aunque para ello es necesario: Que el ión molecular aparezca como un pico distinguible con una +· intensidad apreciable (en un caso ideal no debería ir acompañado de [M-H] , +· + [M-2H] ni [M+H] ) y Registrar en idénticas condiciones y de forma sucesiva los espectros del compuesto marcado y no marcado Ejemplo: N-(2-feniletil)formamida C9H11NO → 12 13 C8 C1H11NO. Datos obtenidos : C9H11NO m/z = 149 (100 %) er 150 (11.29 %)* 1 pico isotópico 12 m/z = 149 (10.94 %) Corresponde a C9H11NO 12 13 150 (100 %)Corresponde a C8 C1H11NO (98.76%)* + er 1 pico isotópico de C9H11NO (1.24%)* 13 er 12 151 (11.11%) 1 pico isotópico de C8 C1H11NO (la relación 150/151 es análoga a 150/149 en el compuesto sin marcar) 13 C8 C1H11NO % 12 13 C8 C1H11NO = 98.76 x 100 / (98.76 + 10.94) = 90.02 % % C9H11NO = 10.94 x 100 / (98.76 + 10.94) = 9.97 % SEÑALES DE TRANSICION. IONES METAESTABLES Los iones producidos en la cámara de ionización poseen distintas energías internas (E). Si suponemos que la distribución de energías para iones del tipo m1 es la que se muestra en la figura y que para la fragmentación : m1 → m2 la energia de activación es E0 : Los iones m1 con E > E0 se fragmentarán en la fuente iónica y se detectarán como m2 Los iones m1 con E < E0 no se fragmentarán en la fuente iónica y se detectarán como m1 Los iones m1 con E ligeramente superior a E0 pueden: Si poseen una vida media de ∼ 10-5 s, no fragmentarse y llegar al detector como m1 -6 -5 Si poseen una vida media comprendida entre 10 y 10 s, fragmentarse para dar m2, después de ser acelerados, entre la fuente iónica (o el analizador electrostático) y el analizador magnético. En este caso, en el detector se registra una señal a una masa m* que guarda con m1 y m2 la siguiente relación: m* = (m2)2 m1 Estas señales se denominan Picos Metaestables y se reconocen por: • aparecer a valores de masa no enteros • su escasa abundancia (↓ intensidad) • su anchura