Spettroscopia di Massa

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1 Spettroscopia di Massa Joseph John Thomson 1906 Nobel Prize for Physics "in recognition of the great merits of his theoretical and experimental investigations on the conduction of electricity by gases" Francis William Aston 1922 Nobel Prize for Chemistry "for his discovery, by means of his mass spectrograph, of isotopes, in a large number of non-radioactive elements, and for his enunciation of the whole-number rule" Wolfgang Paul 1989 Nobel Prize for Physics "for the development of the ion trap technique" John Bennet Fenn 2002 Nobel Prize for Chemistry "for the development of soft desorption ionisation methods (ESI) for mass spectrometric analyses of biological macromolecules" Koichi Tanaka 2002 Nobel Prize for Chemistry "for the development of soft desorption ionisation methods (MALDI) for mass spectrometric analyses of biological macromolecules

2 Spettrometria Massa La spettrometria di massa e una tecnica analitica di delucidazione strutturale basata sulla ionizzazione di una molecola e sulla sua successiva frammentazione in ioni di diverso rapporto massa/carica (m/z). E un metodo d analisi distruttivo (la molecola non rimane intatta dopo l analisi), e soprattutto non si basa sull interazione tra radiazioni e materia. Una molecola è ionizzata per estrazione di un elettrone; il catione radicalico che si forma (ione molecolare) in parte si frammenta dando molecole e/o radicali neutri (che lo strumento non rileva), in parte generando cationi e/o radicali cationi (ioni frammento). Lo ione molecolare e i vari ioni che si originano per frammentazione (cationi e radicali cationi) vengono discriminati sulla base del loro rapporto massa/carica e rivelati da un detector. L esperimento di spettrometria di massa consiste dunque nella ionizzazione di molecole in fase gassosa, nella separazione dei diversi ioni prodotti e nella loro rivelazione. Questa tecnica consente di ottenere dei profili di frammentazione che sono specifici per ciascun composto, di cui costituiscono quindi un impronta digitale.

3 1 Campione (10-2 torr) Elettrodo (+) di repulsione Sorgente di ioni impatto elettronico (EI) (10-7 torr) Fenditure di accelerazione filamento Ioni leggeri non focalizzati Ioni pesanti non focalizzati Raggio ionico focalizzato 2 campo magnetico ( gauss) Deflessione inv. proporzionale alla massa dello ione Rivelatore (detector) 3 Ione molecolare Frammento neutro Frammento neutro

4 Spettrometria Massa Step 1: Ionizzazione L atomo viene ionizzato sottraendo uno o più elettroni per dare uno ione " Step 2: Accelerazione Gli ioni vengono accelerati in modo da avere la stessa energia Step 3: Deflessione Gli ioni vengono deflessi da un campo magnetico in rapporto alle loro masse. Più è alto il valore della loro massa maggiore risulta essere la loro deviazione. La deviazione dipende anche dal numero delle cariche positive. Step 4: Rivelazione Ionizzazione Acceleratore Elettromagnete Composto vaporizzato Pompa da vuoto Deflettore Rivelatore Amplificatore Registratore

5 Spettrometria Massa: ionizzazione Trappola elettronica Repeller di ioni Elettroni Campione vaporizzato Ioni positivi* Filamento caldo, riscaldato elettricamente, di tungsteno o renio *La maggior parte degli ioni positivi avranno carica +1 poiché è difficile estrarre altri elettroni da uno ione positivo

6 Spettrometria Massa: accelerazione Piatto intermedio Piatto finale a 0 volts Camera di ionizzazione a volts Raggio ionico Nel loro tragitto gli ioni subiscono un accelerazione proporzionale al potenziale V delle piastre acceleratrici e vengono espulsi, attraverso una fenditura di uscita, con un energia cinetica: Energia cinetica acquistata dagli ioni = 1/2 mv 2 = zv - z è la carica degli ioni; in genere = 1 - V è il potenziale della griglia - m è la massa dello ione - v è la velocità dello ione

7 Spettrometria Massa: deflessione Elettromagnete (1T) La deviazione dipende: 1. Dalla massa dello ione. 2. Dalla carica dello ione. Flusso di ioni Flusso di ioni C z=carica m=massa v=velocità U=potenziale accelerazione Flusso di ioni A Flusso di ioni B zu = r = mv 2 mv zb 2 v = 2zU m m z = 2 r B 2U 2

8 Ionizzazione: le tecniche 1) Impatto elettronico (E.I.): Un filamento di tungsteno incandescente emette un fascio di elettroni che, accelerati verso un anodo posto dalla parte opposta al filamento, acquistano un elevata energia (ca. 70 ev). Quando questi elettroni vengono a contatto con la sfera elettronica di una molecola (impatto elettronico), le trasferiscono la loro energia, provocando l espulsione di un elettrone con formazione di un radical catione (ione molecolare) M +. 2) Ionizzazione chimica (C.I.): La ionizzazione chimica viene utilizzata quando gli ioni molecolari prodotti con il metodo dell impatto elettronico sono troppo poco stabili e si frammentano completamente. Questa e una tecnica di ionizzazione piu mild, che si basa sull interazione del campione vaporizzato con un reagente ionizzato, che di solito e un acido di Bronsted gassoso. I piu usati reagenti di questo tipo sono quelli che derivano dalla ionizzazione ad impatto elettronico del metano. 3) Electrospray (E.S.I.): Il campione, sciolto in un solvente polare, è nebulizzato a pressione atmosferica dentro la camera di ionizzazione attraverso un ago tenuto ad un alto potenziale elettrico. Le goccioline di spray, che si sono caricate positivamente per azione del campo elettrico, vengono attratte verso una "lente di estrazione di ioni", che grossolanamente è costituito da un capillare mantenuto sotto vuoto e a un potenziale negativo; in tal modo il sovente evapora e gli ioni carichi sono accelerati verso l'analizzatore.

9 Ione con m/z 44 Abbondanza relativa [M] + C 2 amu Abbondanza relativa Ione molecolare [M] + 15 elettroni (sfera di valenza) C 2

10 C 2 propano Ione molecolare 19 elettroni (sfera di valenza)

11 C 2 Ciclopropano propano Ione molecolare 17 elettroni (sfera di valenza)

12 3 C 3 C + C 3 C 6 14 PM 86,18 C 3 Picco base m/z=57 catione butilico [M-29] + m/z=86 > m/z=71 [M-15] + Picco base m/z= 42 catione butilico (M-29) m/z= 57 quasi assente m/z= 86 < m/z=71 (M-15)

13 3 C 2 C C C 4 9 m: 57,11 C 3 2 C C 3 m/z: 29,06 3 C C m/z.: 56 2 C C C 3 3 C C 3 m: 30,07 3 C C C C C C C C C C 2 C C C 6 14 Mol. Wt.: 86,18 C m/z.: 57 m.: 29, C C C C 3 C C 3 3 C C C3 3 C C3 C 2 2 m: 15, C 5 11 C C 3 5 m/z.: 71,14 m/z: 43 m/z: 41 C 3 m: 15,03

14 Esile: m/z=85 Pentile: m/z=71 Butile: m/z=57 Propile: m/z=43 Etile: m/z=29 Metile: m/z=15 Ioni molecolari Scissione C-Y Scissione in α Eliminazione -Y

15 N dispari elettroni N pari elettroni Carica delocalizzata Carica localizzata Carica delocalizzata Carica localizzata alifatici 3 C C C 3 Impossibile visualizzare l'immagine. La memoria del computer potrebbe essere insufficiente per aprire l'immagine oppure l'immagine potrebbe essere danneggiata. Riavviare il computer e aprire di nuovo il file. Se viene visualizzata di nuovo la x rossa, potrebbe essere necessario eliminare l'immagine e inserirla di nuovo. 3 C C C 3 3 C C C 2 insaturi 3 C C C2 3 C C C2 3 C C C 2 2 C 2 C C C2 C C2 o o fenilici Aromatici 2 C N2 eteroatomi R C N 2 R C R C N 2 R C 2 C N2 R C R C

16 Common Small Ions m/z composition 15 amu C , F 26 C 2 2, CN 27 C C 2 4, C, 2 CN 29 C 2 5, C 30 C 2 N 2 31 C 3 33 S, C 2 F 34 2 S 35(37) Cl 36(38) Cl 39 C C 3 5, C 2 3 N 42 C 3 6, C 2 2, C 2 4 N 43 C 3 7, C 3 C 44 C N 2 56 C C C 4 C 2 79(81) Br 80(82) Br 91 C I 128 I

17 Common Neutral Fragments mass loss 1 amu 15 C F 20 F composition 27 C 2 3, CN 28 C 2 4, C 30 C 2 31 C 3 32 C 4, S 33 C 3 + 2, S 33 2 S 35(37) Cl 36(38) Cl 42 C 3 6, C 2 2, C 2 4 N 43 C 3 7, C 3 C 44 C 2, CN 2 45 C C C C C S 2 79(81) Br 80(82) Br 127 I 128 I

18 e

19 n atomi di N m/z (massa/ carica) n elettroni zero o pari pari dispari dispari dispari dispari

20 Isotopo Massa % Massa+1 % Massa+2 % 1, 100 2, 0,016 C 12, , 1,08 N 14, , 0,36 16, , 0,04 18, 0,20 F 19, 100 Si 28, , 5,07 30, 3,31 P 31, 100 S 32, , 0,78 34, 4,39 Cl 35, , 32.7 Br 79, , 97,5 I 127, 100

21 Metodi di determinazione della composizione elementare dello ione molecolare Metodo dell abbondanza Isotopica: CxyNzn Example 6.1 Calculate the %[M + 1] and %[M + 2] for butyl propionate (C7142) and 2,3-dihydronaphthalene (C1010) ions.

22 Cloro: 75.77% 35 Cl ; 24.23% 37 Cl Bromo: 50.50% 79 Br; 49.50% 81 Br ( a + b) 2 ( a + b) 2 ( c + d ) 2 a: abbondanza relativa isotopo più leggero b: abbondanza relativa isotopo più pesante

23

24 Isotopo Peso atomico C C N F Si P S Cl Cl Br I

25 The gas had a molecular ion peak at m/z = in a high resolution mass spectrometer. What was the gas? N C C Resolution (resolving power)(rp): RP = m / Δm

26 Regole generali per l interpretazione di uno Spettro di Massa 1. Individuare lo Ione Molecolare: Il più intenso tra gli ioni ad elevato m/z (eccezioni: 2Cl, Br, [M-1] + >[M] + ) Deve essere un [M] + (m/z pari se N=0, 2, 4,..)(m/z dispari se N=1, 3, 5..); Deve consentire un interpretazione loica della perdita di frammenti neutri: [M 1] +, [M 2] +, [M 3] + per, - 2, -( + 2 ); [M 15 (C 3 )], [M 16 (C 4 )], [M 17 ()], [M 18 ( 2 )], [M 19 (F)], [M 20 (F)], [M 27 (CN)], [M 28 (C, C 2 4, C 2 N)], [M 29 (C, C 2 5 )] P.M. 148

27 21-25? 33? 37-39?

28 Regole generali per l interpretazione di uno Spettro di Massa 2. Regola dell azoto: Identificazione specifica di radical-ioni/ioni; Presenza e numero di atomi di azoto n atomi di N m/z (massa/ carica) n elettroni zero o pari pari dispari dispari dispari dispari P.M N + C 2 2 N N 2 P.M N + C 2

29 Impossibile visualizzare l'immagine. La memoria del computer potrebbe essere insufficiente per aprire l'immagine oppure l'immagine potrebbe essere danneggiata. Riavviare il computer e aprire di nuovo il file. Se viene visualizzata di nuovo la x rossa, potrebbe essere necessario eliminare l'immagine e inserirla di nuovo.

30 Scissione α (da ione molecolare): Rottura di un legame in α ad un eteroatomo (N,, S, X) in una catena lineare o in un anello. In questo caso si formano ioni isomeri a M + che generano frammenti ionici per trasposizione di (stato di transizione a 6 termini) e scissioni radicaliche

31 55 98 C 2 C 3 C 3

32 Trasposizione di McLafferty Prerequisito: in γ ad un doppio legame); Decorso reazione: è trasferito attraverso uno stato di transizione a 6 termini (di qualsiasi tipo) sull atomo più esterno del doppio legame. X α γ β C=, C=N, S=, C=C X α γ β X α γ β concertato X γ X X X a stadi α β α α α

33 43 P.M [M-28] 71 [M-31] [M-15] 102 [M]

34 m/z 87 [M-15] P.M. 43 C 3 sc. α m/z 59 [M-43] m/z 102 [M] m/z 71 [M-31] C 3 m/z 74 [M-28] C m/z 43 [M-31-28]

35 105 [M-56-17] 123 [M-55] 77 [M ] 122 [M-56] 178 [M] P.M. 178

36 2 C m/z 123 C 4 7 M 55,10 C m/z 122,12 C 4 8 P. M. 56,11 -C C m/z 105,11 C m/z 77,10

37 108 [M] m/z [M] P.M. 178

38 Scissione in α Scissione in α Scissione C-Y iniziale m/z=182 Scissione in α Scissione iniziale α Perdita di C da 105