M: M +. + e. La risoluzione di un buon spettrometro di massa è 1 amu (atomic mass number) su10 4 amu.

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1 PINIPI DELLA SPETTMETIA DI MASSA A differenza delle altre tecniche analitiche (I, UV-vis, NM) in cui il campione rimane intatto dopo l analisi, la spettrometria di massa, che forma ed utilizza ioni invece di molecole, è un metodo di analisi distruttivo. In uno spettrometro di massa usato per analisi organica, di solito abbiamo a che fare con l analisi di ioni positivi derivati da molecole. La ionizzazione semplice di una molecola si rappresenta con l equazione: M: M. e Lo ione M. si chiama ione molecolare. La massa (m) e la carica (z) dello ione vengono misurate dallo spettrometro di massa e quello che è importante è il loro rapporto. Spesso si formano ioni con una sola carica positiva è quindi il rapporto è uguale alla massa dello ione che, a sua volta, è legata alla massa della molecola (dato che l elettrone ha una massa piccolissima, 5.49 x 10-4 rispetto alla massa di un protone). La risoluzione di un buon spettrometro di massa è 1 amu (atomic mass number) su10 4 amu. Lo ione molecolare ha una configurazione elettronica con un numero dispari di elettroni. Frammentazione Se stiamo formando uno ione molecolare con una carica positiva, significa che dobbiamo raggiungere il potenziale di ionizzazione della molecola. Questo valore dipende dalla natura dell M, dato che è da questo orbitale molecolare che l elettrone sarà rimosso. I primi potenziali di ionizzazione della maggior parte delle molecole organiche cadono nell intervallo 8-15 ev Il processo di ionizzazione spesso usa energie molto maggiori di quella necessaria per la ionizzazione. Questo eccesso di energia può essere trasferito allo ione molecolare quando si forma, sotto forma di energia rotazionale, vibrazionale o elettronica. Le ultime due sono le più importanti per la spettrometria di massa, perché la frammentazione di questi stati eccitati produce un nuovo ione ed una particella neutra. 1

2 Lo ione molecolare può seguire due percorsi di frammentazione: M. A N. M. B. N Nel primo caso si ha la frammentazione a un catione con numero pari di elettroni ed una specie neutra con un elettrone dispari. Nel secondo caso si ha frammentazione a uno ione con numero dispari di elettroni ed una specie neutra con numero pari di elettroni. In questo caso la specie neutra può essere una molecola stabile Prendiamo una molecola semplice come 6 e consideriamo possibili percorsi di frammentazione dello ione molecolare che comportino solo scissione del legame -, ma con formazione di un atomo neutro, di un radicale neutro e di una molecola neutra..... La frammentazione non si ferma qui, perché gli ioni frammento possono a loro volta frammentarsi, subendo anch essi perdita di specie neutre con numero pari o dispari di elettroni. step Ia M. step Ib A N 1. B. N step IIa step IIb N 3 D N 4. Tutte queste frammentazioni formano un insieme di ioni che a loro volta danno luogo allo spettro di massa del composto in questione. La conoscenza dei percorsi tipici di frammentazione permette la ricostruzione di un andamento di frammentazione (fragmentation pattern) caratteristico.

3 Il cammino di frammentazione dipende da quattro fattori principali: - la forza dei legami che si devono rompere - la stabilità dei prodotti di frammentazione, sia ioni che specie neutre - le energie interne degli ioni che si frammentano - l intervallo di tempo tra la formazione degli ioni e la loro rivelazione. L SPETT DI MASSA SEMPLIE Analizziamo uno spettro di massa semplice. Un modo comune di mostrare uno spettro di massa è quello di una traccia che si può ottenere direttamente dal registratore della maggior parte degli spettrometri. onsideriamo il metanolo: 3, Peso Molecolare = 3 i si aspetta che il valore più grande m/z sia 3. Invece, osservando bene lo spettro, si osserva un segnale di intensità piccola (abbondanza relativa bassa), a M 1. isotopi Attorno ai picchi grandi ci possono essere picchi di abbondanza relativa bassa. Per esempio, una piccola parte di molecole di metanolo avrà 13 (1.08% di abbondanza naturale) invece di 1 e qualche atomo di idrogeno sarà (D) (0.015%) invece di 1. due tracce dello spettro di massa del metanolo, una registrata con una sensibilità dieci volte maggiore dell altra. Questo permette di vedere anche i picchi meno abbondanti. m/z attribuzione 3. 3 Lo ione con m/z 3 è lo ione molecolare: a parte un picolissimo picco a m/z 33, è lo ione di massa più elevata nello spettro Il picco più intenso viene chiamato picco base dello spettro. Ad esso si assegna l abbondanza relativa 100%: le abbondanze relative degli altri picchi si misurano rispetto a questo. 3

4 La frammentazione sarà tanto più facile quanto più stabile è il catione che si forma. Se sono possibili più frammentazioni che formano cationi di stabilità analoga, sarà preferita la frammentazione che dà il radicale più stabile. e e m/z = m/z = 57 m/z = e m/z = 57 e m/z = 43 3 m/z =

5 M -9 M -15 M M -9 M -15 M 5

6 ASPETTI PATII PE EFFETTUAE UNA EAZINE IMIA Per effettuare una reazione chimica correttamente, si deve eseguire un certo numero di operazioni: 1. Si purificano (se necessario) reagenti e solventi.. Si mescolano i reagenti nelle opportune condizioni di reazione. 3. Si segue l andamento della reazione. 4. Si lavora la reazione. 5. Si analizza il grezzo della reazione. 6. Si separano i prodotti. 7. Si controlla la purezza dei prodotti. 8. Si purificano (se necessario) i prodotti. 9. Tutti le operazioni vanno descritte SUBIT in un QUADEN DI LABATI, insieme alle eventuali osservazioni che si ritengano importanti, in caso di ripetizione della reazione (ad es., variazione di colore, formazione di precipitato, sviluppo di gas, ecc.) TENIE DI PUIFIAZINE I liquidi (sia reagenti che solventi) si purificano per DISTILLAZINE, un processo che porta il liquido in fase vapore vapore e poi condensa nuovamente il vapore a liquido Un liquido bolle quando la sua pressione di vapore è uguale alla pressione esterna (equazione di lausius-lapeyron) il liquido bolle 6

7 Pressione atmosferica normale omposti con calori di vaporizzazione più alti hanno pressioni di vapore più basse e quindi serve più energia per vaporizzarli (p.e. maggiore) I liquidi basso-bollenti (p.e. < 150 ) contenenti impurezze non volatili si possono purificare per distillazione semplice a pressione ambiente - Il liquido viene portato all ebollizione con un opportuna fonte di calore (EVITAE FIAMME LIBEE: i composti organici sono di solito infiammabili!!!) - il vapore viene fatto passare attraverso un tubo freddo (refrigerante), dove condensa e viene raccolto in un pallone. E importante asscurare una buona agitazione del liquido in ebollizione (ancoretta magnetica, oppure pietruzze da ebollizione) per evitare bumping, che può mandare nel pallone di raccolta del liquido non purificato. Apparecchiatura per la distillazione semplice a pressione atmosferica esce entra 7

8 8

9 tubo a cloruro di calcio (se bisogna evitare l umidità) I liquidi alto-bollenti (p.e. > 150 ) contenenti impurezze non volatili si possono purificare per distillazione semplice sotto vuoto, per evitare che il riscaldamento eccessivo provochi decomposizione termica Apparecchiatura per la distillazione semplice a pressione ridotta 9

10 Se non si conosce la pressione (e non si può misurare), si può ricavare con l aiuto del grafico: 30 torr onoscendo il p.e. a 760 torr, si collega il p.e. sperimentale (prima scala) con quello a pressione atmosferica (seconda scala) e si prolunga la retta fino a leggere la pressione (terza scala). Se il liquido ha un punto di ebollizione molto alto (anche a pressione ridotta) ed è immiscibile con l acqua, si può ricorrere alla DISTILLAZINE IN ENTE DI VAPE. Alla temperatura di ebollizione dell acqua, il vapore di questo liquido in equilibrio con esso contribuisce al raggiungimento della pressione esterna e viene trascinato via dall acqua che bolle. Al termine della distillazione, il liquido e l acqua formano due fasi separate. 10

11 ALLI aratteristica strutturale degli alcooli - legato a sp 3 aratteristiche Spettrali Spettrometria di massa Lo ione molecolare ha intensità piuttosto bassa per gli alcooli primari e secondari, è di solito assente negli spettri degli alcooli terziari La frammentazione più importante avviene tra il α all ed il β (carbocatione stabile) '' '.. '' ' '' ' Il gruppo alchilico più grande viene perso più facilmente (radicale più stabile). 11

12 1-esanolo, P.M M - 1-esanolo, P.M. 10 M M - M - 3 M metil--pentanolo P.M. 10 M

13 I UV-visibile stretching - Solo legami σ: le transizioni n σ* richiedono λ = nm (lontano UV): fuori dal comune intervallo picco stretto, cm -1 ( libero) picco largo, cm -1 ( in legame ) stretching cm -1 Negli spettri di film liquido si vede solo la banda dell impegnato in legame idrogeno; in soluzione si vedono entrambe. 3 (liquido puro) 3 (in l 4 ) 1-esanolo in l 4 1-esanolo film liquido 13

14 13 NM 1 NM L effetto -I dell diminuisce la densità elettronica attorno al nucleo del 13 : deschermato L effetto -I dell diminuisce la densità elettronica attorno al nucleo del 1 : deschermato a 3.5δ Il nucleo 1 dell può risuonare in un intervallo ampio di chemical shift, tra 0.5 e 5.0 δ; la posizione dipende da vari fattori (concentrazione, temperatura, solvente, legame idrogeno, ecc.) - L dell è sufficientemente acido ( mobile) per dare equilibrio acido-base veloce rispetto al tempo di risposta dell NM Questo significa che, di solito, l non si ferma sull abbastanza a lungo per influenzare il campo magnetico di un su un adiacente, né per esserne influenzato. l dell è un singoletto, un po allargato, a meno di rallentare lo scambio, per esempio abbassando la temperatura, eliminando le impurezze acide, usando soluzioni diluite. es.: metanolo

15 Se si vuole confermare che un segnale nello spettro 1 NM sia dovuto a, si aggiunge alla soluzione qualche goccia di D D D D D Il protone mobile scambia con D ed il segnale diminuisce o scompare del tutto esempio: 1-propanolo A B 3 B A A B BASE a - alcossido d c.... b a AID a,d ossidazione aldeidi e chetoni b b,c X alcheni 15

16 ottura del legame - SSTITUZINE NULEFILA 3 Br 3 Br 3 Br - ELIMINAZINE S 4 Δ - è un cattivo gruppo uscente: può essere trasformato in un buon gruppo uscente per protonazione reazioni in ambiente acido.... Nu: - buon gruppo uscente Nu Nu: - = I -, Br -, l -, F - esempi: 3 Br 3 Br ( 3 ) I ( 3 ) 3 l ( 3 ) -I ( 3 ) 3 -l A parità di alcool, la reattività dipende dalla forza dell'acido F l Br I pk a forza acida crescente reattività crescente verso gli alcooli A parità di acido, la reattività dipende dal tipo dell'alcool metile < primario < secondario < terziario reattività crescente degli alcooli con X Su questa diversa reattività si basa il saggio di riconoscimento degli alcooli (saggio di Lucas) 5 alcool terziario ( 3 ) 3 - l ( 3 ) 3 -l 16

17 alcool secondario ( 3 ) - l Znl ( 3 ) -l Znl alcool terziario 3 - l Δ 3 -l Il cloruro che si forma è immiscibile con la fase acquosa e si deposita sul fondo (ha densità maggiore dell'acqua). on S 4 stesso ordine di reattività S 4 3 terziario ( 3 ) S 4 secondario ( 3 ) terziario S on S 4 si riesce ad isolare il prodotto di sostituzione solo a temperatura molto bassa - - S S - 4, - nucleofilo debole S 4 S ottimo gruppo uscente Meccanismo: veloce lento 3 S veloce

18 rientamento: S prevalente 3 S 4 3 Saytzeff unico prodotto ome sempre, quando si formano carbocationi, c è possibilità di trasposizione 3 S Se con S 4 si trattano 1,-dioli: ,3-dimetil-,3-butandiolo (pinacolo) 3 3,3-dimetilbutanone (pinacolone) TASPSIZINE PINALIA :

19 Può migrare anche un : : Se i sostituenti del diolo sono diversi: viene protonato l' più basico migra il gruppo che lascia il carbocatione più stabile MEANISM della SSTITUZINE degli alcooli in ambiente acido Sostituzione di - S N 1 o S N? con metanolo ed alcooli primari S N 3 3 X - δ- X δ X- 3 3 stato di transizione con alcooli secondari e terziari S N X X 19

20 però.. La sostituzione dell' può avvenire anche in ambiente non acido Il gruppo - può essere sostituito SL DP TASFMAZINE IN UN BUN GUPP USENTE Gli alcooli si possono trasformare in alogenuri alchilici usando cloruri di P e S Pl 3 Pl 5 Sl tricloruro di fosforo pentacloruro di fosforo cloruro di tionile 3 - Pl 3 3 -l 3 P 3 - Pl 5 -l Pl 3 l - Sl -l S l Questi composti trasformano l in un buon gruppo uscente, che viene sostituito con un meccanismo S N (e quindi gli alcooli terziari non reagiscono) P e S hanno un buon gruppo uscente (l), che viene sostituito dall alcool ( nucleofilo) on Pl l Pl 4 l Pl 4 l - Pl 4 buon gruppo uscente buon gruppo uscente l Pl 4 Pl 3 l on Sl l S l l - S l buon gruppo uscente l S l buon gruppo uscente -l S l 0

21 on Pl 3 l Pl l l Pl Pl buon gruppo uscente l P l l P l l buon gruppo uscente P l l P l P l buon gruppo uscente P ANDAMENT STEEIMI 1. on Pl 3 3 l P l 3 l (S)--butanolo 3 P 3 l l - 3 l P l 3 clorofosfito di (S)--butile Nessuno dei legami del * è stato interessato dalla reazione. 3 l P l - l 3 S N 3 l 3 ()--clorobutano - Pl Inversione di configurazione analogamente con Pl 5 1

22 on Sl L andamento stereochimico dipende dalle condizioni di reazione 1. S l 3 3 l S l 3 3 (S)--butanolo - 3 S l l 3 clorosolfito di (S)--butile In presenza di base (ammina terziaria): 3 N: l 3 N l - Nu -. 3 S l - 3 l S N 3 l S l - 3 ()--clorobutano Inversione di configurazione In assenza di base, nel solvente poco polare (dietil etere) l è indissociato manca il nucleofilo forte gabbia del solvente. 3 S l S N i 3 l - S 3 l 3 3 coppia ionica 3 (S)--clorobutano S N i: il nucleofilo entra dalla stessa parte: ritenzione della configurazione

23 ALTE EAZINI DEGLI ALLI ALLI ME AIDI Per avere formazione completa di alcossido: 3 Na 3 - Na 1/ EAZINI N GLI AIDI Formazione di esteri a) Acidi carbossilici b) Acidi inorganici N N N N N N 3 3

24 Meccanismo: 1. formazione di N - (reazione acido-base) N N N N N ione NITNI (elettrofilo). reazione di N : 3 N 3.. N - 3 N nitrato di metile 3 S 3 S solfato acido di metile 3 S 3 3 S 3 solfato dimetilico 0 S S S 4 Δ alcheni c) Acidi solfonici S acido p-toluensolfonico S 3 3 p-toluensolfonato di (tosilato) Per avere completamente il solfonato, l alcool si fa reagire con il cloruro di p-metil benzensolfonile l S 3 S 3 S 3 l tosilato di Ts Formare il tosilato è un altro modo di trasformare l in un buon gruppo uscente l - 3 S N - Ts l 3 Ts.. 3 S N - 3 Ts 3 3 Ts 3-3 4

25 EAZINI DI SSIDAZINE ssidazione biologica dell'etanolo alcool deidrogenasi [] 3 - SoA 3 SoA acetilcoenzima A trigliceridi, ecc. ssidazione chimica alcool 1 o [- ] [] alcool o [- ] [] X alcool 3 o [- ] 3 X ossidanti tipici KMn 4, - r 4 N 3 conc. Na r 4 K r 7 ATTENZINE! 3 [] - Gli alcooli terziari non vengono ossidati; però alcuni ossidanti sono acidi e come tali possono reagire con gli alcooli terziari NESSUNA EAZINE alchene prodotti di ossidazione dell'alchene Meccanismo (semplificato) - r r(vi) r r r(iv) - ESEMPI KMn 4,, tampone basico 3 3 7% 5

26 N 3 Br ( ) 5 Br ( ) 5 75% Per ossidare gli alcooli primari ad aldeide è necessario usare reagenti speciali, particolarmente blandi (mild) in condizioni controllate. eattivo di Jones K r 7, S 4 diluito, ( 3 ) = eccesso di reattivo eattivo di ollins r 3. N 3 ( ) 5 3 ( ) 5 clorocromato di piridinio (P) N. r. 3 l -etil-1-esanolo -etilesanale 87% ssidazione dei DILI reagente caratteristico I 4 acido periodico scissione I 3 perché la reazione avvenga è necessario che i due - siano su adiacenti 6

27 La scissione del legame - avviene anche se sono adiacenti un - ed un = I 4 I 3 La scissione del legame - non avviene se sono adiacenti un - ed una funzione - I 4 nessuna reazione I 4 nessuna reazione 3 I 4 nessuna reazione Se ci sono più di due - su adiacenti, TUTTI i legami - si rompono I 4 3 Meccanismo:.... I I I 3 7

28 ETEI aratteristica strutturale degli eteri - - aratteristiche Spettrali Spettrometria di massa La frammentazione più importante avviene tra il α all ed il β (carbocatione stabile).. ' M diisopropil etere, P.M. 10 M UV-visibile Solo legami σ: le transizioni n σ* richiedono λ = nm (lontano UV): fuori dal comune intervallo I stretching cm

29 dipropil etere 13 NM 1 NM L effetto -I dell diminuisce la densità elettronica attorno al nucleo del 13 : deschermato L effetto -I dell diminuisce la densità elettronica attorno al nucleo del 1 : deschermato a 3.5δ A B B A A B 9

30 P EATTIVI USATI SPESS ME SLVENTI.. --'.. Fra gli eteri, quelli più usati come solvente, oltre al dietil etere, sono quelli ciclici ossaciclopentano (tetraidrofurano) 1,4-diossacicloesano (diossano) Danno reazione solo con I, a caldo.... ' I.. I - Δ 'I I ' ' reazione acido-base sostituzione nucleofila esempio: 3 I 3 Δ 3 I I 3 se c'è un eccesso di I e si lascia il tempo, anche gli alcooli reagiscono con I 3 3 I I 3 I = = 3 però 3 I Δ 3 I Viene attaccato da I - SL il sp ecc. legame (aromatico- più forte di (alifatico)- Gli eteri ciclici con anelli tesi sono più reattivi perché, con l'apertura dell'anello, hanno sollievo dalla tensione d'anello SSAILBUTANI reagiscono anche con Br, a caldo APETUA DELL'ANELL 30

31 Δ Br Br meccanismo: Br Br - SSAILPPANI MLT EATTIVI APETUA DELL'ANELL a) con NULEFILI FTI S N - Nu: - Nu Nu esempio: - - :S 3 S 3 S 3 Se l'ossaciclopropano è sostituito, la reazione ha un orientamento dovuto al meccanismo (S N ) EGISPEIFIITA' EGISELETTIVITA' Di due "regioni" del substrato possibili e simili una sola viene attaccata Di due "regioni" del substrato possibili e simili una viene attaccata di preferenza 3-3 S 3 3 S 3 eazione regiospecifica; reazione stereospecifica S N : più reattivo meno sostituito S N : attacco di Nu da parte opposta al gruppo uscente 31

32 b) in assenza di NULEFILI FTI Bisogna rendere -- un miglior gruppo uscente apertura dell'anello acido-catalizzata : Il processo è S N 1, ma non si forma un vero carbocatione, per l'interazione con il doppietto elettronico dell'ossigeno S 3 3 δ δ δ δ 3 3 parziale carbocatione primario parziale carbocatione secondario (se ne forma di più) δ δ δ δ S prodotto principale prodotto secondario eazione regioselettiva; reazione stereospecifica Si forma più (ma non solo) parziale carbocatione secondario PLIETEI ILII (ETEI NA) attacco di Nu da parte opposta al gruppo uscente 18-orona-6 18-rown-6 3

33 33 K 1-rown-4 15-rown-5 N N N N N N IPTAND catione n complesso IPTAT n N N N N