Baixe Espectrometria de massas e outras Notas de estudo em PDF para Cultura, somente na Docsity! Espectrometria De Massas Versão 1.1.09 2 SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................................................................... 3 1.1 O ESPECTRÔMETRO DE MASSAS ................................................................................................................................ 3 1.1.1 Técnicas de Ionização ................................................................................................................................... 4 1.1.1.1 Impácto de elétrons ............................................................................................................................................. 5 1.1.1.2 Ionização Química ................................................................................................................................................ 6 1.1.2 Analisadores de massa ................................................................................................................................. 7 1.1.2.1 Quadrupolo.......................................................................................................................................................... 7 1.1.3 Detectores de Massa .................................................................................................................................... 9 2 O CROMATOGRAMA DE ÍONS TOTAIS E O ESPECTRO DE MASSAS .......................................................................... 10 2.1 INTERPRETAÇÃO DE ESPECTRO DE MASSAS ................................................................................................................. 13 2.1.1 Procedimento para Interpretação ............................................................................................................... 14 2.1.2 Ferramentas para interpretação de espectros de massas ............................................................................ 14 2.1.2.1 Abundância isotópica ......................................................................................................................................... 15 2.1.2.2 Determinação de Íon Molecular.......................................................................................................................... 16 2.1.2.3 Regra do Nitrogênio ........................................................................................................................................... 16 2.1.2.4 Anéis e dupla ligação .......................................................................................................................................... 17 2.1.2.5 Perdas Lógicas de fragmentos............................................................................................................................. 17 2.1.2.6 Perdas lógicas de moléculas ............................................................................................................................... 18 2.1.2.7 Íons Comuns ...................................................................................................................................................... 18 2.1.3 Guia para normalização das abundâncias ................................................................................................... 18 3 EXEMPLOS DE INTERPRETAÇÃO DE ESPECTROS DE MASSAS .................................................................................. 19 3.1 COMPOSTO DESCONHECIDO X ................................................................................................................................ 19 3.2 COMPOSTO DESCONHECIDO Y ................................................................................................................................ 23 3.3 COMPOSTO DESCONHECIDO Z ................................................................................................................................ 25 4 EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO ........................................................................................................................................ 28 5 campo elétrico forte também pode ionizar materiais não-voláteis além de, íons não-voláteis e termicamente estáveis. (III) alternativamente, soluções líquidas do analito podem diretamente serem convertidas em íons de fase gasosa via técnicas de spray. Método (i) pode só ser aplicados a monômeros ou em conjunto com métodos de degradação (principalmente pirólise). Métodos (ii) e (iii) estes métodos são para polímeros não fragmentados. A produção de íons nos espectrômetros de massas envolve vários fatores. Certos tipos de análises necessitam de íons em profusão e outros de seletividade. Há casos em que a energia com que se forma o íon é muito importante. Também, o estado da amostra como visto anteriormente, pode determinar qual o método a ser usado. Os métodos mais utilizados em espectrometria de massas são: Ionização por elétrons ou impacto de elétrons (EI); Ionização Química (CI); Ionização por radiação laser; Ionização por campo elétrico; Ionização de superfície; Ionização por electrospray. Nesta apostila será dada ênfase aos dois métodos mais utilizados que são impacto de elétrons (EI) e ionização química (CI). Figura 4 – Foto ampliada de uma fonte de íons para a técnica impácto de elétrons (Agilent). 1.1.1.1 Impácto de elétrons Quando uma corrente é aplicada a um filamento, o filamento é aquecido resistivamente até a incandescência, emitindo vários elétrons simultaneamente. Placas colimadoras são empregadas para o controle do feixe de elétrons emitidos. Um potencial de aproximadente 70 V é mantido entre o filamento e a placa de tal forma que os elétrons sejam acelerados para longe do filamento e passem através das placas colimadoras com uma energia média de 70 eV. O valor de 70 eV é comum porque a probabilidade de ionização para a maioria dos compostos orgânicos é maximizada próximo deste valor. As placas colimadoras levam os elétrons energéticos a colidirem com as moléculas do gás. Utilizando o nitrogênio como exemplo, o impacto do elétron primário, ep -, sobre a molécula de N2 faz com que a molécula em seu estado fundamental seja promovida a energias maiores escapando do poço de potencial da molécula neutra. Um elétron secundário, es -, é liberado pela molécula de nitrogênio, segundo a equação (1.1). )eV5,54(eeNN)eV70(e ps . 22p   (1.1) 6 O cátion de nitrogênio excitado (N2 +.), tem uma energia no estado fundamental de 15,6 eV acima da molécula original de N2, pois a energia de ionização EI (N2) é de 15,6 eV. A colisão pode resultar na formação de N2 + excitado com energias mais altas. Quando o excesso de energia é eletrônico (B), a energia pode ser liberada na forma de um fóton com energia específica, permitindo que íon N2 + volte ao seu estado fundamental (X), segundo a equação (1.2). hv)X(N)B(N 22   (1.2) O impacto do elétron primário pode também aumentar a energia vibracional do cátion resultante e este aumento na energia vibracional tem um importante papel na espectrometria de massas. Na medida em que a razão de vibração e alongamento aumenta, a probabilidade de rompimento da ligação também aumenta. A ruptura da ligação resulta na fragmentação do íon-pai como se fora um copo de vidro que se quebra ao cair no chão. O padrão de fragmentação depende da composição do íon-pai, e o exame do padrão de fragmentação leva a uma compreensão da estrutura e composição do íon-pai. Para o nitrogênio a única fragmentação possível é o íon N+. Figura 5 – Esquema de fonte de ionização eletrônica 1.1.1.2 Ionização Química Um modo alternativo de ionização é a ionização química (CI). Alguns equipamentos, que contém um cromatógrafo acoplado, permitem através de um chaveamento automático a obtenção do espectro por impacto eletrônico (EI) e a ionização química (CI). O método da CI envolve a mistura da amostra (~10- 4Torr) com um gás reagente em alta pressão (1Torr) na fonte de formação dos íons. Os gases reagentes, comumente usados, são: metano, isobutano e amônia. A mistura resultante submetida ao bombardeio eletrônico ioniza, inicialmente, algumas moléculas do gás reagente. Deste modo, usando o gás metano as espécies esperadas são, CH4 +. e CH3 +.. Em alta pressão, colisões destas espécies e reações íon-molécula com o próprio gás reagente são comuns, levando a formação de íons secundários, com um pequeno excesso de energia interna: 7 CH4 +. + CH4 ==> CH5 + + CH3 CH3 + + CH4 ==> C2H5+ + H2 Estes íons secundários, eventualmente, colidem com moléculas da amostra, resultando na ionização química das últimas. A ionização química é, comumente, devido à protonação, especialmente para compostos básicos: M + CH5 + ==> ( M + 1 )+ + CH4 Os íons, quase-moleculares, são espécies com elétrons pares que tendem a ser mais estáveis do que os íons moleculares produzidos por EI. A combinação da energia mais baixa no processo de ionização, com esta maior estabilidade, indica que os íons quase-moleculares são, geralmente, pouco abundantes no espectro de CI. A interpretação destes espectros é com freqüência mais direta do que para o espectro de EI, desde que existam poucos íons fragmentados, os quais tendem a ser de maior significância. A quantidade da fragmentação pode ser mudada pela natureza do gás reagente. Em geral, tanto as faixas dos compostos protonados e o grau de fragmentação observado decrescem quando o gás reagente é mudado na ordem: metano > isobutano > amônia. Por exemplo, a amônia protonará fracamente moléculas básicas tais como alcoóis e aminas. 1.1.2 Analisadores de massa 1.1.2.1 Quadrupolo Figura 6 – Esquema de um quadrupolo simples 10 Estes elétrons secundários são acelerados em direção ao fim do cone, se chocando com a superfície do mesmo repetidamente e causando a liberação de mais elétrons da superfície do cone. Esta multiplicação do número de elétrons causa a emissão de uma cascata de elétrons no fim do cone. O gradiente no cone e ajustado de tal forma a manter um mínimo de 105 elétrons emitidos no fim do cone para cada íon que entra, no entanto a cone pode liberar ate 108 elétrons por íon. A corrente eletrônica é amplificada para produzir uma corrente elétrica ou sinal iônico que é proporcional à corrente iônica incidente no detector. Uma vez que as potenciais DC e RF são rampeados a uma razão constante, o gráfico da variação temporal da intensidade do sinal de CF ou ME produz um espectro de massas para as razões massa/ carga do intervalo de varredura. Cada pico obtido pode ser relacionado a uma correspondente razão massa/ carga. Esta conversão do eixo x de tempo para razão massa/carga só é válida na medida em que a razão de rampeamento de U e V sejam conhecidas e possam ser referenciadas ao correspondente diagrama de estabilidade. 2 O cromatograma de íons totais e o espectro de massas Nesta apostila iremos abordar algumas técnicas para a interpretação de espectros de massa. Através de alguns passos iremos identificar uma boa quantidade de compostos, porém existem outros mecanismos de fragmentação que não serão abordados. Identificar uma molécula simples a partir de um espectro de massa obtido através do impacto eletrônico (EI) é muito mais simples que outros tipos de espectro. O espectro de massas mostra a massa da molécula em seus vários “cacos”, após ser quebrada. É importante fazermos uma pequena revisão de alguns conceitos básicos de química para iniciarmos o estudo. Primeiramente vamos ver a aparência de um espectro de massas e entender como um espectro é gerado a partir de um cromatograma. 11 Figura 11 – Cromatograma de íons totais (TIC) e espectro de massas Como pode ser observado na figura 11, considerando que temos acoplado ao espectrômetro de massas um cromatógrafo, uma amostra foi injetada e após aproximadamente 5 minutos, notamos 5 picos formados a partir da soma das abundâncias dos fragmentos ionizados das moléculas de cada scan. A palavra scan traduzida indica varredura, ou seja, em intervalos de tempo pre-programados o detector de massas “varre” uma faixa de massas que pode variar de acordo com o interesse do estudo (ex. de 10 a 400 u). O intervalo de tempo para cada scan pode atingir até 7 scans/segundo dependendo das condições de interesse do método analítico. No exemplo da figura 6, no quadro abaixo, visualizamos o que chamamos de espectro de massas, onde o primeiro composto apresenta fragmentos de 25 a 200 u. Este scan compreende ao instante em que a abundância de íons é mais intensa, ou seja, na altura máxima do pico. Portanto, cada pico corresponde a um composto distinto, previamente separado na coluna cromatográfica. O exemplo abaixo nos auxiliará na visualização prática. 12 Gerando um cromatograma de íons totais Massa/carga Número do scan 1 2 3 4 5 6 7 8 9 42 3 1 16 87 238 144 10 2 3 72 95 94 91 106 114 83 98 87 112 82 7 5 78 482 1246 958 89 9 5 105 0 2 24 157 401 345 40 4 2 182 4 2 52 463 1438 1600 277 13 4 198 2 3 7 6 198 225 43 2 6 272 2 0 4 38 149 219 56 3 1 303 1 2 7 95 389 647 191 10 2  íons totais 114 109 279 1434 4173 4221 804 130 135 Soma dos íons totais vs. Número do scan Na figura 12, é mostrado um espectro de massas simples da molécula do metano, onde pode ser observado o íon molecular de massa 16, o íon 15 que corresponde ao CH3 +. (perda de um hidrogênio), o íon 14 que corresponde ao CH2 +. (perda de dois hidrogênios), o íon 13 correspondente a CH+. (perda de 3 hidrogênios), o íon 12 correspondente C+. (perda de 4 H´s) e finalmente o íon 17 que corresponde ao elemento 15 CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 1,1% CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 1,1% CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 1,1% CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 1,1% CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 1,1% CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 1,1% 6,6 H2C CH C N H2C CH C N H2C CH C N H2C CH C N 0,4% 1,1% 1,1% 1,1% 3,7 2.1.2.1 Abundância isotópica Figura 13 – Tabela das abundâncias isotópicas dos elementos mais comuns. ELEMENTOS “A” 1) Existem quatro elementos, comuns em análise por GC/MS que tem somente uma ocorrência natural, isótopo estável. Estes quatro elementos são: fósforo, flúor, hidrogênio, e iodo. Os pesos atômicos destes elementos são: 30,97, 18,99, 1,00 e 126,9, respectivamente. 2) Destes quatro elementos o hidrogênio é o mais comum. 3) A presença de iodo pode ser inferida a partir de alto peso molecular e perda de 126,9 u durante a fragmentação. 4) Um elemento “A + 2” que é freqüentemente incluído como elemento “A” é o oxigênio. Isto é devido à baixa abundância relativa de seu isótopo “A + 2”, que é somente 0,2 %. Esta baixa abundância relativa faz com que a determinação do número de átomos seja dificultada a partir da abundância isotópica. ELEMENTOS “A + 1” 1) Existem dois elementos com um isótopo com uma unidade de massa a mais que o isótopo mais abundante. Estes elementos são carbono e nitrogênio. 2) A abundância de carbono 12, relativa para o carbono 13 é 1,1%. A abundância do nitrogênio 14, relativa para ao nitrogênio 15 é 0,37%. Exemplo de Abundância isotópica para elementos “A + 1“ para o carbono 16 (mainlib) Cyclohexane, methyl- 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 0 50 100 27 39 41 53 55 69 83 98 elementos “A + 2” 1) Identifique o íon molecular e agrupamentos dos isótopos 2) Se a abundância “A + 2” for < 98% da abundância de “A” então não tem presença de bromo. 3) Se a abundância “A + 2” for < 33% da abundância de “A” então não tem presença de cloro 4) Se a abundância de “A + 2” é menor que 4,4% de “A” então não temos presença de enxofre. O enxofre “A + 1” tem 0,8% de abundância. 5) Se a abundância de “A + 2” é menor que 3,4% de “A” então não temos presença de enxofre. Sílica “A + 1” tem 5,1% de abundância. A combinação das abundâncias de “A + 1” e “A + 2” identifica facilmente a presença de sílica. 2.1.2.2 Determinação de Íon Molecular  O íon molecular fornece a mais valiosa informação no espectro de massa; sua massa e composição elementar mostra os limites da molécula no qual os fragmentos indicados no espectro de massa devem ser explicados.  O íon molecular deverá ser o pico de maior massa no espectro (com exceção para o pico dos isótopos) 2.1.2.3 Regra do Nitrogênio Uma molécula com número ímpar de átomos de nitrogênio terá peso molecular ímpar. Íons nos quais resultam de uma fragmentação simples têm massas pares. Moléculas com número par de átomos de nitrogênio (0 é um número par) têm peso molecular par. Íons nos quais resultam de fragmentação simples têm massa ímpar. (mainlib) Ethanamine, N-ethyl- 10 20 30 40 50 60 70 80 0 50 100 15 26 29 30 31 42 44 56 58 59 72 73 74 NH 17 2.1.2.4 Anéis e dupla ligação (A + D) Devido à valência dos elementos envolvidos, o número total de anéis e duplas ligações em uma molécula de fórmula CxHyNzOn deverá ser igual a A + D = 1Z2 1Y 2 1X  , Onde: X= carbono ou silício Y= hidrogênio, flúor, cloro, bromo ou iodo Z= nitrogênio ou fósforo Para íons, o valor calculado poderá terminar em “0,5” (indicando que o número de elétrons é par). Como usar esta regra fica claro observando o exemplo abaixo: Piridina – C5H5N anéis + dupla ligação X = 5 – 2,5 + 0,5 + 1 = 4 Piridina+. Número ímpar de elétrons Benzoíla – C7H5O anéis + dupla ligação X = 7 – 2,5 + 1 = 5,5 C7H5CO + número par de elétrons O valor encontrado de 4 para a piridina representa o anel e três duplas ligações dessa molécula. O valor de 5,5 encontrado para a benzoíla mostra o anel, as três duplas ligações do benzeno, e a dupla ligação do grupo carbonila. 2.1.2.5 Perdas Lógicas de fragmentos Somente um número limitado de fragmentos neutros de baixa massa que são perdidos na decomposição do íon molecular. Estes fragmentos resultam da quebra de ligações simples. Os fragmentos mais comuns são: 20  Outro fator a considerar é que se 87 for o íon molecular é o tamanho do elemento “A + 1”. Ele aparenta ser muito alto.  Se normalizarmos a abundância baseada no íon 87 teremos: m/z Abun.Norm. 87 100 88 46,9 89 3,1 Isto implicaria dizer que existem cerca de 42 átomos de carbono, o que não é coerente para um peso molecular de 87 u.  Tentaremos usar como peso molecular a massa 88.  Sendo uma massa par e a maioria dos fragmentos são ímpares.  Em seguida iremos fazer a normalização para o íon 88. m/z Ab.Rel. Ab. Norm. NF Cn-1 Cn Cn+1 A 88 1,5 100 66,7 A + 1 89 0,1 6,7  88 aparenta ser um valor razoável. Vale lembrar que os valores podem ter desvio de 10%.  Seis carbonos parece ser a sugestão do elemento “A + 1”. m/z Ab.Rel. Ab. Norm. NF Cn-1 Cn Cn+1 A 88 1,5 100 66,7 60 72 84 A + 1 89 0,1 6,7 5,5 6,6 7,7 Íon molecular proposto: 88 6 carbonos: -72 massa restante 16 - Possível formula molecular se limitada aos elementos associados com moléculas orgânicas: C6H16 C6O - O teste de anéis e dupla ligação deverá mostrar qual deverá ser o íon molecular. 21 X = 1Z 2 1Y 2 1X   C6H16 110 2 166  C6O 71006  O valor de –1 encontrado para C6H16 deveria indicar a ausência de anéis e dupla ligação. Na realidade este valor indica um excesso de hidrogênios nesta estrutura. Para hidrocarbonetos saturados: CnH2n+2, se n=6, o número máximo de hidrogênios deveria ser 14. Esta fórmula está errada. O valor de 7 para C6O indica um altamente insaturado. Você poderá tentar de várias maneiras encontrar uma estrutura razoável para esta fórmula, sem sucesso. A ausência de hidrogênios nesta fórmula também sinaliza como sendo uma fórmula errada. Voltando na planilha de normalização: m/z Ab.Rel. Ab. Norm. NF C5 C6 C7 A 88 1,5 100 66,7 60 72 84 A + 1 89 0,1 6,7 5,5 6,6 7,7 Se C6 foi impossível, C7 deverá ser ainda mais. Vamos assumir 5 carbonos, mesmo sendo acima do limite de 10%, ainda está na faixa de +/-0,2 absoluto. Então agora: Íon molecular proposto: 88 5 carbonos: -60 massa restante 28 Possíveis fórmulas: C5H28 (esta fórmula certamente está errada) C5N2 (esta parece muito estranha, não tem H) C5H12O (parece razoável) Vamos para o teste dos anéis e dupla ligação: C5H12O 010 2 125X  22 O valor de zero encontrado indica um composto saturado e sem presença de anéis. Agora verificaremos as as perdas lógicas e fragmentos comuns: Estas características sugerem ser um álcool. Os íons 17 e 31 são fortes evidências. Temos também a evidência de fragmentos C5, C4, C3, C2 e C1, isto indica uma cadeia linear. Assumiremos que seja o 1-pentanol e vemos que os fragmentos fazem sentido. 25 m/z Perda lógica 26 C2H2 39 C3H3 45 CHS 52 C4H4 58 C2H2S  Não tem a presença de CH3 ou C2H5, então uma estimativa razoável seria de que existe a presença de anel. Relembrando, Anéis + dupla ligação = 3 Tiofeno apresenta ser uma boa estimativa:  esta estrutura satisfaz a condição do teste de anéis + dupla ligação (3). Duas duplas e um anel  Sabemos também que uma estrutura de anéis são bastante estáveis gerando íon moleculares de grande intensidade. Resta agora identificar os fragmentos do tiofeno na estrutura: Com essas evidências, a probabilidade de espectro do composto ser o tiofeno é elevada. 3.3 Composto desconhecido Z S S S S 39 C3H3 CHS 45 26 C2H2 58 C2H2S 52 C4H4 32 S 26 m/z Abundância 72 0,34 73 2,25 74 21,54 75 1,02  O íon 74 aparenta ser um candidato a nosso íon molecular.  Precisamos agora normalizar os dados. m/z Ab.Rel. Ab. Norm. NF Cn-1 Cn Cn+1 A 74 21,54 100 4,64 A + 1 75 1,02 4,73 A + 2  Não existe o elemento “A + 2”. 4 carbonos parece um número razoável. m/z Ab.Rel. Ab. Norm. NF C3 C4 C5 A 74 21,54 100 4,64 36 48 60 A + 1 75 1,02 4,73 3,3 4,4 5,5 A + 2  C4 ainda é um valor razoável. A linha “A + 1” é ainda um pouco alta.  Isto poderia indicar a presença de nitrogênio, mas o íon molecular é par e as outras maiores linhas são todas ímpares.  Vamos fazer uma tentativa de distribuir estes carbonos. Íon molecular 74 4 carbonos -48 massa restante 26  A massa restante de 26 é muito alta para ter a presença de 2 nitrogênios ou para serem todos hidrogênios (máximo 10 se for saturado). Se o composto fosse saturado, teríamos ainda 16 restantes. Poderia ser o oxigênio? Íon molecular 74 4 carbonos -48 1 oxigênio -16 massa restante 10  Uma fórmula razoável a se propor é: C4H10O. Vejamos se ela passa no teste dos anéis + dupla ligação: 010 2 104X  27  Zero como resultado indica que ele pode ser o íon molecular e não tem presença de anéis nem dupla ligação.  Nosso composto pode ser álcool ou éter. Aldeído ou cetona são descartados devido ao teste acima.  C4H7F é também uma possibilidade, mas não existe a presença de 19 no espectro. Considerando ainda que em GC/MS não é muito comum amostras contendo flúor.  Agora precisamos analisar o espectro e avaliar os fragmentos comuns e as perdas lógicas. íons e perdas possíveis fragmentos  Somente os fragmentos contendo C, H e O foram considerados nas linhas maiores  Não vemos qualquer linha ou perda de 17, então o composto não parece ser um álcool. Basicamente isto evidencia ser nosso composto um éter.  Existem algumas possibilidades, como podemos ver abaixo. 30 16) Identifique o candidato a íon molecular que melhor se apresenta no espectro abaixo 17) Você está para identificar um composto no qual você sabe que ele pode conter somente carbono, hidrogênio e cloro. Baseado nas informações abaixo indique quantos átomos de cloro existem neste composto. m/z Abundância M 46500 M + 2 61800 M + 4 31000 M + 6 6700 M + 8 570 M + 10 10 18) Qual do átomos abaixo é um elemento “A + 2” ( ) carbono ( ) nitrogênio ( ) oxigênio ( ) fluor 19) Qual dos seguintes espectros abaixo é mais provável de ser um composto aromático? Justifique! ( ) espectro A ( ) espectro B ( ) nenhum deles ( ) não tem informação suficiente ( ) 62 ( ) 64 ( ) 98 ( ) 100 ( ) 102 ( ) 1 ( ) 2 ( ) 3 ( ) 4 ( ) 5 ( ) 6 31 20) Existe uma ordem em que os passos a serem seguidos na interpretação de espectros são importantes. Enumere a ordem mais sensata a ser seguida. ( ) encontrar o íon molecular, se possível ( ) propor as possíveis estruturas ( ) determinar a composição elementar ( ) Avaliar a aparência geral do espectro ( ) obter um bom espectro ( ) identificar as características estruturais 21) Para o espectro abaixo, determine qual linha deverá representar uma perda lógica de +C4H9 a partir do íon molecular 86. 22) Identifique o compostos abaixo: a) ( ) 71 ( ) 57 ( ) 43 ( ) 29 32 b) c) d) 74 –100% 75 – 4,62% 76 – 0,28% m/z abun. 16 999 15 887 14 204 13 106 12 38 17 16