Espectrometria de Massas QP422

Prof. Dr. Fábio Cesar Gozzo fabio@iqm.unicamp.br

Introdução

• Espectrometria de massas (MS, do inglês Mass Spectrometry) é o estudo da matéria através da formação de íons em fase gasosa que são caracterizados pela relação m/z (relação massa/carga).

Aplicabilidade

Organometálicos

Instrumentação

Introdução de

amostras

Fonte de Ionização

Analizador de m/z Detector

EI CI APCI APPI ESI MALDI ….

B Q Tof IT LIT ICR Orbitrap …

Direto GC HPLC CE

Multiplicador e- MCP

Vácuo

O que é a massa de um átomo ?

M = 5 1H (1p, 1e) = 1.0079 2H (1p, 1n, 1e) = 2.0141 4He (2p, 2n, 2e) = 4.0026 2 x 2H = 4.0282

4He/ 2H = 1.98 !!

Como é um átomo ?

Modelo de Bohr

Como o núcleo não explode ?!!

Como são os prótons e neutrons ?

Próton: 2 quarks up e 1 down Nêutron: 1 quark up e 2 down

Cargas: Up: + 2/3 Down: -1/3

Forças Fundamentais

• No universo só existem 4 forças fundamentais:

– Gravitacional – Eletromagnética – Nuclear Forte – Nuclear Fraca

Forças Fundamentais

E = m . c2

Fusão de um núcleo

E

x 0

Repulsão Eletromagnética

Atração Força Nuclear

+ +

Qual é a massa de um átomo ?

Massa

=

Soma das massas das partículas

–

Energia liberada na formação do átomo (núcleo)

O que é a massa de um átomo ?

M = 5 1H (1p, 1e) = 1.0079 2H (1p, 1n, 1e) = 2.0141 4He (2p, 2n, 2e) = 4.0026

4He/ 2H = 1.98 !!

Mas final, de onde vêm os elementos químicos ?

• Formação de elementos químicos necessita de reações nucleares (nucleosíntese)

• 3 processos explicam toda a composição do universo – Nucleosíntese do primordial (Big Bang) – Nucleosíntese estelar – Nucleosíntese de supernovas

Nucleosíntese Primordial (Big Bang)

Nucleosíntese primordial

Nucleosíntese Estelar

Nucleosíntese Estelar

E depois do He ?

• Não há mais núcleos estáveis com Z=5 (5Li) ou Z=8 (8Be)!!

• É necessário uma “tripla colisão” 108 K !!

• 8Be 7×10−17 s

Estrelas com massa > 1.3x Ciclo CNO

• Em equilíbrio:

13C ~ 1/3 12C

E os outros elementos ?

Estrutura de uma Estrela Maior

E depois que chegou no Fe ??

A Estabilidade de uma Estrela

Nucleosíntese de Supernova

• A nucleosíntese se encerra no Fe • Não há mais uma força contra a gravidade • A estrela colapsa e implode • Os elementos previamente formados são

espalhados no espaço • Uma chuva de nêutrons são emitidos • Elementos absorvem esses nêutrons e dá

origem a nucleosíntese de supernova

Muita, Muita Energia !

• Uma supernova emite mais energia em um segundo do que o nosso sol já produziu em toda a sua vida …

Algumas Remandescentes de Supernovas

Exemplos

Defeito de massa

• Nenhum átomo (c/ excessão do 12C) tem massa inteira

• Diferença é chamada de Defeito de Massa

Defeito de Massa

Energia de Ligação do Núcleo e Defeito de Massa

Unidade de Massa Atômica (u)

• u = 1.6605 x 10-27 kg ( 1/12 12C) • Próton: 1.6726×10-27 kg (1.0073 u) • Nêutron:1.6749 x 10-27 kg (1.0086 u) • Elétron: 9.1093 × 10-31 kg (0.0005u) • 1 Da = 1 u

Isótopos • Isótopos: átomos com mesmo número de prótons e diferentes

numeros de nêutrons. 1H (1p, 1e), 2H (1p, 1n, 1e) 3H (1p, 2n, 1e)

12C (6p, 6n, 6e), 13C (6p, 7n, 6e), 14C (6p, 8n, 6e)

• Isótopos Naturais: Isótopos que ocorrem naturalmente 1H (99.98%), 2H (0.01%)

12C (98.93%), 13C (1.07%) 14N (99.63%), 15N (0.37%) 16O (99.80%), 18O (0.20%)

35Cl (75.78%), 37Cl (24.22%) 79Br (50.70%), 81Br (49.31%)

Tipos de massas atômicas • Nominal:

– Massa aredondada em 1 u: H = 1, C = 12, Cl = 35

• Média: – Massa média dos isótopos: H = 1.0079, C = 12.0107, Cl = 35,4532

• Monoisotópica: – Massa do isótopo mais abundante: H = 1.0078, C = 12.0000, Cl = 34.9688

Massas Moleculares Exatas

• Consiste na soma das massas atômicas

É única para cada fórmula N2 = 28.0061 C2H4 = 28.0313 CO = 27.9949 B2H6 = 28.0656

Padrão Isotópico

• Substâncias Orgânicas: 1H (99.98%), 2H (0.01%)

12C (98.93%), 13C (1.07%) 14N (99.63%), 15N (0.37%) 16O (99.80%), 18O (0.20%)

32S (94.93), 34S (4.29)

Para cada 100 átomos de C, 1 é 13C !!!

O Espectro de Massas

Intensidade relativa ao sinal mais intenso

(100%)

Relação m/z de cada íon

Sinal mais intenso: Pico base

O Espectro de Massas

Modo contínuo

Modo centróide

MS e Padrão Isotópico

• MS mede isótopos individuais e não massas médias

• Substâncias apresentam várias massas dependendo da composição isotópica

• Composição isotópica varia de acordo com a composição química

Padrão Isotópico: Efeito do C

17 284

CH4 C10H22

C20H42

C50H102

706

C100H202 C150H302

M

M+1

M

M+1 M+1

M+2

M Padrão Isotópico

Padrão Isotópico: Efeito do C

284

C20H28

270

C20H42 C20H28N2O4

Portanto: No de carbonos = I(M+1)/1.1 = I(M+1)-10%

Ex: Intensidade do M+1 = 22 No de carbonos ~ 22-10% = 20

284

IM+1 = No C * 1.1

Aumento do Número de C

O e N

• Oxigênio e Nitrogênio têm abundâncias bem menores que C e H

• Oxigênio afeta a intensidade do M+2 (16O x 18O)

• Nitrogênio pode afetar M+1 em moléculas muito ricas em N (raro)

Efeito dos Halogênios

• 37Cl é 33% do 35Cl • 81Br é 50% do 79Br • F e I não têm isótopos naturais

CH3Cl CH3Br

C15H31Cl C20H41Br

C20H40Br2

C15H30Cl2

Cl e Br

Padrão Isotópico Cl2

mass60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83

%

0

100

B (0.100) Cu (0.10); Is (0.10,0.50) Cl2 Scan EI+ 5.74e1269.9377

71.9377

73.9299

mass148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171

%

0

100

B (0.100) Cu (0.10); Is (0.10,0.50) Br2 Scan EI+ 5.00e12159.8367

157.8367 161.8289

Br2

mass104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127

%

0

100

B (0.100) Cu (0.10); Is (0.10,0.50) BrCl Scan EI+ 4.96e12115.8872

113.8872

117.8794

BrCl

Colesterol (C27H46O)

mass377 378 379 380 381 382 383 384 385 386 387 388 389 390 391 392 393 394 395 396 397 398

%

0

100

B (0.100) Cu (0.10); Is (0.10,0.50) C27H46O Scan EI+ 7.35e12386.3549

387.3549

388.3627

mass411 412 413 414 415 416 417 418 419 420 421 422 423 424 425 426 427 428 429 430 431 432 433 434

%

0

100

B (0.100) Cu (0.10); Is (0.10,0.50) C27H45OCl Scan EI+ 5.57e12420.32

422.32

423.32

C27H45OCl

mass570 572 574 576 578 580 582 584 586 588 590 592 594

%

0

100

B (0.100) Cu (0.10); Is (0.10,0.50) C27H45OBr2Cl Scan EI+ 3.31e12580.15

578.15

582.15

583.15

585.15

C27H45OBr2Cl

Padrão Isotópico

mass44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66

%

0

100

B (0.100) Cu (0.10); Is (0.10,0.50) Fe Scan EI+ 9.17e1255.9318

53.9396

Fe

mass191 192 193 194 195 196 197 198 199 200 201 202

%

0

100

B (0.100) Cu (0.10); Is (0.10,0.50) Pt Scan EI+ 3.38e12194.9610193.9610

195.9689

197.9689

Pt

mass93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108

%

0

100

B (0.100) Cu (0.10); Is (0.10,0.50) Ru Scan EI+ 3.16e12101.9076

100.9076

98.9076

95.9076

97.9076

103.9076

Ru

mass108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128

%

0

100

B (0.100) Cu (0.10); Is (0.10,0.50) Sn Scan EI+ 3.26e12119.9048

117.9048

115.9048

123.9048

Sn

mass788 790 792 794 796 798 800 802 804 806 808 810 812 814 816 818 820 822 824

%

0

100

B (0.100) Cu (0.10); Is (0.10,0.50) C20H36Cl6O5Sn2 Scan EI+ 1.36e12805.8732

803.8732

801.8732

799.8732

797.8732

807.8732

809.8654

811.8654

813.8654

815.8654

C20H36Cl6O5Sn2

Tabela de Isótopos Elemento Isótopo Massa (u) Abundância

(%) 1H 1.00782 100 H 2H 2.01410 0.02

12C 12.00000 100 C 13C 13.00335 1.07 14N 14.00307 100 N 15N 15.00010 0.37 16O 15.99491 100 O 18O 17.99916 0.20 32S 31.97207 100 S 34S 33.96786 4.52 35Cl 34.96885 100 Cl 37Cl 36.96590 31.96 79Br 78.91833 100 Br 81Br 80.91628 97.27

Isótopos

• D é um isótopo de H; 13C é isótopo de C • O que CD3OH é de CH3OH ? • O que CH2DOH é de CH3OD ? • Isotopólogos (“homólogo de isômeros”) • Isotopômeros (“isômeros de isótopos”)

Regra do Nitrogênio

• Uma molécula orgânica neutra só terá massa ímpar se ela tiver número ímpar de átomos de nitrogênio:

– C2H4O: 44 – CH3CONH2: 59 – C6H4(NH2)2: 108 – C10H22O: 158

Qual a Fórmula ?

M+1 = 4.5%

C4H10BrN

50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 5500.00

0.05

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30

0.35

0.40

0.45

0.50

0.55

0.60M

ass

Defe

ct

Nominal Mass

Hidrocarbonetos

Instrumentação

Introdução de

amostras

Fonte de Ionização

Analizador de m/z Detector

EI CI APCI APPI ESI MALDI FAB DESI DART …

B Q Tof IT LIT ICR Orbitrap …

Direto GC HPLC CE

Multiplicador e- MCP

Vácuo

Ionização por Elétrons (EI)

• Moléculas neutras, na fase gasosa (dessorção térmica), a uma pressão típica de 10-5 torr, são bombardeadas por elétrons, com energia típica de 70 eV. Ocorre principalmente a retirada de um elétron formando íons M+.

• M + e- (70 eV) M+. (~ 5-10 eV) + 2e- (~60- 65 eV)

Fonte de EI

EI: Características • Processo unimolecular. Os íons formados são rapidamente

extraídos da fonte de ionização

• Íons moleculares são formados com excesso de energia interna e se fragmentam total ou parcialmente.

• EI é bastante informativo: produz tanto o íon molecular (massa/composição) como também fragmentos (estrutura);

• Espectros reprodutíveis: bibliotecas de espectros de EI a 70 eV

• Aplica-se a moléculas de média e baixa polaridade e baixo peso molecular (~500u), voláteis e termo-estáveis: moléculas orgânicas relativamente pequenas.

• Quando o íon molecular não é observado (devido a dissociação completa), existe um processo dissociativo exotérmico e portanto M+. é uma espécie instável.

• EI ocorre em ~10-16 s. Uma em cada 103-105 moléculas que entram na fonte de EI é ionizada.

Energia das Moléculas

Exemplos

Acetofenona m = 120

Exemplos

Progesterona m = 314

Exemplos

C7H16 m = 100

Energia dos Elétrons

Efic

iênc

ia

Energia x Fragmentação

Isômeros

(mainlib) Heptane0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

0

50

100

2

15

29

41

43

53

57

6265

71

85

100

(mainlib) Hexane, 2-methyl-10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

0

50

100

15

29

37

39

43

50

57

63 71 77

85

100

(mainlib) Pentane, 3-ethyl-10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

0

50

100

15

29

37

39

41

43

50 53

55

5762 65

71

84 100

(mainlib) Butane, 2,2,3-trimethyl-0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

0

50

100

2 1215

27

29

39

41

43

57

6369

77 81

85

99

Fragmentações em EI

• Localizar Íon Molecular • Observar característica do espectro • Analisar as fragmentações

Íon Molecular

• Íon de mais alta massa (Monoisotópico) • Se tem alta exatidão, calcular DBI • Verificar fragmentações lógicas

DBI (Índice de ligações duplas)

• Calculado por: – CxHyNzOn – DBI = x – 0.5y + 0.5z +1

• M+. => x.0 • F+ => x.5

Exemplo

195

152

Exemplo

180

166

Fragmentação

• Quatro mecanismos básicos: – Dissociação sigma – Clivagem alfa – Clivagem indutiva – Fragmentação remota

• Possibilidades de rearranjo – Rearranjo de McLafferty

Dissociação de Íons Radicalares M + e- → M+. + 2e-

F+. + mol0 F+ + Rad.

F+ + mol0

F+ + mol0

F+. + mol0 F+ + Rad.

F+ + mol0 F+ + Rad. F+. + mol0

• Íons positivos radicalares (camada aberta) podem: – Perder radical e formar fragmentos positivos

(camada fechada) – Perder molécula neutra e ficar positivo/radicalar

(camada aberta) • Íons positivos (camada fechada) podem:

– Perder moléculas neutras e ficar positivo (camada fechada)

• Fragmentos radicalares devem ser formados apenas a partir de precursores radicalares

Regra do Elétron Par

Clivagem Alfa

(mainlib) Acetone10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70

0

50

100

14

15

16 1827

2931

3941

42

43

4452 55 57

58

59

O

Clivagem Alfa

(mainlib) 2-Butanone10 20 30 40 50 60 70 80

0

50

100

1526

2728

29

39 42

43

4457

71

72

73

O

(mainlib) 3-Pentanone10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0

50

100

15 18

27

29

41 50

57

62 65 68 71 84

86

O

(mainlib) 2-Butanone, 3-methyl-20 30 40 50 60 70 80 90 100

0

50

100

27

28 3139

41

42

43

53 56 59 67 7071

86

87

O

Rearranjo de McLafferty

(mainlib) 2-Pentanone10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0

50

100

1517

27

3439

41

43

49 52

58

60 63 67

71

73

86

O

(mainlib) 2-Hexanone10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110

0

50

100

15 18

27

29

31 3739

41

43

50 55

58

6771

83

85

91

100

O

(mainlib) 2-Octanone10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140

0

50

100

15

27 39

41

43

5355

58

71

77 81

85

95 99113 128

O

(mainlib) 3-Heptanone10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

0

50

100

1519

27

29

31

39

41

43

45

57

63

72

78

85

91 98

114

O

Rearranjo de McLafferty

Compostos Aromáticos

(mainlib) Benzene10 20 30 40 50 60 70 80 90

0

50

100

15 2638

39

4049

51

5363 74

77

78

79

Compostos Aromáticos

(mainlib) Toluene20 30 40 50 60 70 80 90 100

0

50

100

27 38

39

41 4551

52 55

63

64

65

74 77 83 8689

91

92

94

(mainlib) Benzene, propyl-10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130

0

50

100

15 2739 51

57 6365 78

85 89

91

105115

120

(mainlib) Ethylbenzene10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120

0

50

100

15 2739

51

63

65

74

77

8689

91

106

Compostos Aromáticos

Compostos Aromáticos

(mainlib) Benzene, butyl-10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150

0

50

100

1527

32

3943

51

5763

65

69 74

7889

91

105

115 128

134

(mainlib) Benzene, pentyl-10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160

0

50

100

15

29 41

4351 57 63

6578

89

91

105

119 133

148

Aromáticos

Fragmentação de Hidrocabonetos

• Dissociação Sigma seguida de perda de alcenos

• Íons moleculares pouco intensos • Ramificação dirige a fragmentação • Íons característicos: 15, 29, 43, 57, 71

Dissociação Sigma

(mainlib) Dodecane10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

0

50

100

14

29

41

43

57

71

85

99 113 127 141170

Dissociação Sigma

(mainlib) Decane, 2,2-dimethyl-20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180

0

50

100

27

29

32 39

41

57

69

71

8285

99 112 155

Exemplos

Exemplos

Exemplos

Exemplos

Alcenos

• Dissociação Sigma • Formação de íon alílico • Forma série C2H2n-1 (2 Da menor que

Alcano)

Exemplos

Álcoois

Exemplos

Álcoois

Álcoois

Álcoois

Retro Diels Alder

GC-MS • EI só é útil se analisarmos uma sustância pura:

espectros misturados impedem a interpretação e a busca na biblioteca

• Raramente temos uma substância pura • Acoplamento de cromatografia gasosa (GC) com

espectrometria de massas (MS) é uma combinação muito poderosa

• GC separa cada substância da amostra (alta resolução cromatográfica)

• MS identifica e quantifica qualquer composto que saia do GC

GC/MS

GC/MS

Mass Analyzer

Interface Split / Splitless

GC/MS

GC/MS

• Substâncias que saem da coluna estão na fase gasosa

• MS pode detectar qualquer substância que esteja na fase gasosa

• MS Detector universal com capacidade de identificação de compostos sem necessidade de padrão

• Quantificação simultânea de qualquer composto

Limitações EI

• A substância tem que estar na fase gasosa • Fonte de EI tem uma pressão de 10-5 mbar • Gases e líquidos voláteis se vaporizam • Líquidos menos voláteis necessitam de leve

aquecimento • Sólidos necessitam de maior temperatura • Para isso, substâncias que que ser

termoestáveis e possuir uma pequena pressão de vapor

Ionização Química (CI) Munson and Field - 1966

• EI: – Simples – Produz extensa fragmentação – Muitas vezes tem M+. – Quando não tem M+.

Controle da Exotermicidade da Reação: Extensão de Fragmentação

Exemplos

CH4

Iso-C4H10

NH3

Exemplos

Exemplos