Detektor mas - Wydział Chemii UJ

Spektrometria mas związków organicznych
z chromatograficznym wprowadzeniem próbki
Sprzężenie chromatografu gazowego ze spektrometrem mas jest potężnym
narzędziem w oznaczaniu lotnych i półlotnych związków organicznych w wielu
matrycach środowiskowych jak powietrze, woda, gleba, w materiałach zawierających
polimery naturalne lub syntetyczne, a także w tkankach organizmów żywych.
Kolumna
chromatograficzna
pełni
rolę
separatora
składników
analizowanej
mieszaniny, zaś detektor mas pozwala na uzyskanie zależności prądu jonowego od
masy
jonów.
Fragmentacja
danego
związku
organicznego
dostarcza
charakterystycznego dla niego widma. Widma uzyskane przez różnych badaczy na
całym świecie, gromadzi się w tzw. bibliotekach widm. Porównanie zarejestrowanych
widm z widmami bibliotecznymi znacznie pomaga w identyfikacji składników
mieszaniny.
Spektrometr mas
Kolumna chromatograficzna dostarcza rozdzielone związki do źródła jonów
spektrometru zgodnie z ich czasami retencji. Do identyfikacji i oznaczania
węglowodorów
aromatycznych
wykorzystano
spektrometr
mas
HP
5973.
Podstawowe zespoły urządzenia to:
• układ pomp próżniowych (vacuum pumps)
• źródło jonów (ion source)
• soczewki skupiających wiązkę jonów (focusing lens)
• analizator kwadrupolowy (analyzer)
•
detektor właściwy (detector)
Rysunek 2. przedstawia schemat spektrometru mas.
1
Rys. 2. Schemat działania spektrometru mas.
Układ wytwarzania wysokiej próżni
Zadaniem spektrometru jest zarejestrowanie sygnału pochodzącego od
bardzo małej ilości jonów, gdyż tylko mała część próbki ulega jonizacji (jedna
cząsteczka na tysiąc). Najczęściej stosowana jonizacja elektronami wymaga
wysokiej próżni tak, aby powstały jon molekularny nie miał możliwości przekazywania
energii innym cząsteczkom i jonom podczas zderzeń. Aby średnia droga swobodna
jonu była porównywalna z długością analizatora, konieczne jest wytworzenie próżni w
skrzyni analizatora rzędu 10-5 Torr (mm Hg). Jest to realizowane w układzie dwóch
pomp: wstępnej (rough pump) połaczonej z pompą turbomolekularną (turbo pump).
Pompa wstępna posiada tradycyjny układ rotorowy, w którym tłok umocowany
niecentrycznie na wale napędowym naprzemian zasysa gaz z układu próżni i tłoczy
go na zewnątrz dzięki ciśnieniowym zaworom sprężynowym. Wirnik pompy turbo
(rys. 3) zaopatrzony jest w zagięte ostrza, ułożone promieniście względem rdzenia
wirnika. Obracające się z szybkością 60000 - 80000 obrotów na minutę ostrza
zagarniają cząsteczki powodując ich ruch ku dołowi, gdzie zostają zassane przez
pompę
wstępną.
Ciśnienie
wytwarzane
przez
pompę
turbo
wynosi,
przy
maksymalnym dopuszczalnym przepływie gazu nośnego 4 cm3/min, około 7⋅10-5
Torr, a czas osiągnięcia takiej próżni zajmuje do kilkunastu minut. Pompa
turbomolekularna jest w stanie przetoczyć w ciągu sekundy 250 litrów gazu. Jest to
2
konieczne gdyż przy przepływie 1 cm3/min po rozprężeniu do ciśnienia rzędu 10-5
Torr otrzymałoby się kilkaset tysięcy cm3 gazu pod tym ciśnieniem.
Rys 3. Pompa turbomolekularna.
Źródło jonów
Pary rozdzielonych chromatograficznie związków (sample molecules in vapor
state)
dostają
się,
przez
termostatowane
połączenie
chromatografu
ze
spektrometrem do źródła jonów (rys. 4). Wiązka elektronów (electron beam)
emitowanych z włókien wolframowych (filament) jonizuje mały ułamek cząsteczek
wpływających do komory jonizacyjnej. Najczęściej stosuje się wiązkę elektronów o
energii 70 eV, co odpowiada przeciętnej energii wiązań w cząsteczkach
organicznych (długość fali 0,14 nm), pozwalając uzyskać maksymalna ilość jonów.
Przyspieszacz jonów (repeller rys 2), spolaryzowany dodatnio, kieruje jony przez
otwór w płytce przejściowej (drawout plate, acceleration plate) do układu soczewek
(płytek) skupiających (focusing lens, plates). Cząsteczki obojętne są zasysane przez
pompy próżniowe na zewnątrz spektrometru.
3
Rys 4. Komora jonizacyjna.
Układ soczewek skupiających
Soczewki skupiające (rys. 5) mają za zadanie uformować skupioną wiązkę
wchodzącą do analizatora kwadrupolowego. Zarówno do soczewek skupiających jak
i wprowadzających jony do filtra mas (entrance lens) stosuje się napięcie stałe. Im
większa
wartość
napięcia,
tym
większa
czułość
analizy
związków
niskocząsteczkowych.
Rys. 5. Formowanie wiązki jonów wchodzących do kwadrupola.
4
Analizator
Jony wychodzące z układu soczewek osiągają kwadrupolowy filtr mas. Filtr
pokazany na rys. 6, jest kształtką kwarcową pokrytą warstwą złota w celu
zmniejszenia niejednorodności powierzchni, a co za z tym idzie, niejednorodności
pola elektrycznego między prętami. Elementy kształtki są połączone ze sobą w taki
sposób, że podłużne segmenty położone obok siebie nie mają kontaktu
elektrycznego, zaś położone naprzeciwlegle są ze sobą połączone. Działanie
kwadrupola najlepiej wyjaśnić przedstawiając filtr jako układ czterech prętów
przewodzących prąd elektryczny. Do układu prętów przyłożone jest napięcie stałe U
oraz napięcie sinusoidalnie zmienne Vcosωt (jak na rys. 6) gdzie ω oznacza częstość
kątową (2πf) zmian napięcia mieszczącą się w zakresie fal radiowych. Pręty
spolaryzowane ujemnie –(U-Vcosωt) są ustawione naprzeciw, podobnie jest z
prętami spolaryzowanymi dodatnio (U-Vcosωt). Przyłożenie napięcia U powoduje że
jon wprowadzony do wnętrza kwadrupola jest równomiernie przyciągany i odpychany
(równomierny rozkład natężenia pola). W takim przypadku przez kwadrupol
przelecieć mogą jony o dowolnej masie i ładunku. Przyłożenie napięcia zerowego lub
bardzo niskiego nie zrównoważyłoby siły grawitacji – jony w kwadrupolu poruszałyby
się torem parabolicznym. Przyłożenie tylko napięcia przemiennego sinusoidalnie
wprowadza jony w ruch drgający w płaszczyznach prostopadłych do siebie, wzdłuż
osi kwadrupola. Jednak tory jonów o niższej masie, niż odpowiadająca amplitudzie V
wykraczają poza kwadrupol. Złożenie napięcia stałego i przemiennego pozwala na
uzyskiwanie stabilnych trajektorii lotu jonów o danej masie, tylko dla danej kombinacji
U i V. ω odgrywa drugorzędną rolę; jej wartość jest stała i zależna od konstrukcji
kwadrupola.
Nazwa filtr mas pochodzi od funkcji urządzenia, gdyż dla zadanych wartości U
i Vcosωt filtr przepuszcza tylko jony o odpowiedniej wartości masy do ładunku m/z.
Tor jonów przelatujących przez analizator może być opisany złożeniem sinusoid.
Przy zadanej częstości zmian napięcia jony o określonym stosunku m/e uzyskują
warunki rezonansu to znaczy drgają w rytm zmian napięcia przykładanego na pręty
analizatora. Pozostałe jony są zbyt silnie przyciągane lub odpychane przez elektrody,
a przyspieszenia spowodowane polem elektrycznym są zbyt duże lub zbyt małe
5
wobec bezwładności masy jonu. Końcem ich wędrówki przez kwadrupol jest
rozładowanie na ujemnie spolaryzowanych elementach spektrometru.
Rys. 6. Kwadrupol.
Detektor właściwy - powielacz
Po przejściu przez filtr mas jony uderzają w wewnętrzną powierzchnię
powielacza elektronów w kształcie rożka (rys 7). Na rożku panuje wysokie napięcie
(rzędu kilku tysięcy V) i jony zderzające się z powierzchnią powodują emisję
elektronów. Wiązka wyemitowanych elektronów uderza w inną część powielacza, a
energia kinetyczna każdego z elektronów powoduje wybicie kilkunastu elektronów z
płytki powielacza. Napięcie powielacza ustala się w zależności od stężenia analitów,
w granicach 0-3000 V. Im niższe stężenie substancji oznaczanych tym niższe
(zmierzające do -3000 V) powinno być napięcie na powielaczu.
Rys. 7. Dynoda wzmacniająca prąd jonowy.
6
Tryby pracy kwadrupolowego detektora mas
Możliwe są dwa tryby pracy detektora mas:
• SCAN (Scanning)
Rejestracja pojedynczego punktu chromatogramu to zapis całkowitego prądu jonów
którym „udało” się przejść przez kwadrupol i dotrzeć do powielacza. „Zbieranie”
punktu na chromatografie wiąże się z dyskretną, równoczesną zmianą napięcia U i
amplitudy V w bardzo krótkim przedziale czasu – od kilku do kilkudziesięciu
milisekund. Kolejnym kombinacjom U i V – (UV)1, (UV)2, ….. (UV)n odpowiadają
masy jonów stabilnych m1, m2, ...... mn. Każdemu punktowi chromatogramu
przyporządkowane jest widmo złożone z jonów o masie m1, m2, ...... mn. Im mniejszy
zakres
monitorowanych
mas,
tym
więcej
jonów o
danej masie
zostanie
zarejestrowanych.
• SIM (Selected Ions Measurement)
Aby zwiększyć czułość aparatu należy jak najbardziej zmniejszyć zakres mas jonów.
Ostatecznie zamiast stosować przemiatanie w zakresie kilkudziesięciu jednostek
masy atomowej np. od 40 do 100 (40, 41, 42, ….. 98, 99, 100) można wybrać kilka
mas o największych intensywnościach charakterystycznych dla oznaczanego
związku chemicznego. Przykładowo dla toluenu największą intensywność rejestruje
się dla jonów: 91, 92, 65. Aby wiedzieć, które jony wybrać należy wpierw
zarejestrować widma mas dla bardziej stężonej próbki substancji w trybie SCAN.
Widmo, a struktura cząsteczki
Chromatogram uzyskany pomiarze SCAN oprócz charakterystyki całkowitego
prądu jonowego w czasie (rys. 8A), zawiera również, dla każdego punktu
chromatogramu, informacje o składowych prądach pochodzących od różnych jonów
czyli widmo mas (rys. 8B). Widmo mas zawiera informację o ilości wybranych jonów
(np. 106 m/z) względem jonów pozostałych. Dzięki temu uzyskuje się dodatkową
informację jakościową (oprócz czasu retencji), gdyż dany związek organiczny
rozpada się w źródle jonów na charakterystyczną liczbę charakterystycznych jonów.
Ażeby nie było zbyt łatwo, dodać należy, że na podstawie jednego widma czasami
można zaproponować kilka różnych struktur związku, oraz że niektóre izomery mają
praktycznie nierozróżnialne widma mas. W takich przypadkach należy wspomagać
7
Abundanc e
T IC : HS GR 7_22.D
7500000
4.17
7000000
6500000
6000000
6.48
5500000
5000000
4500000
9 .56
4000000
3500000
8.78
3000000
7.05
2500000
6.28
2000000
1500000
8.81
2.64
9.22
8.57
8.95
1000000
500000
3.00
4.00
5 .00
6.00
7.00
8.00
A
9.00
T im e-->
Abundanc e
Sc an 5054 (6.482 m in): HSGR7_22.D (-)
91
1600000
1500000
1400000
1300000
1200000
1100000
1000000
900000
106
800000
700000
600000
500000
400000
300000
39
200000
100000
0
77
51
65
27
15
10
98
85
20
30
40
50
60
70
80
90
100
119
110
m /z -->
120
133
130
140
B
Rys. 8. Chromatogram z oznaczenia związków organicznych w wodzie – A
i widmo mas dla punktu chromatogramu o czasie retencji 6,48 min (szczyt
piku) - B.
się inną techniką analityczną, która rozwieje wątpliwości – spektroskopia NMR, IR,
czy użyć wzorca lub skorzystać z indeksów retencji. Jednak w przypadku próbek
środowiskowych o znanym pochodzeniu i spodziewanym składzie spektrometria mas
oddaje nieocenione usługi w analizie jakościowej i ilościowej.
Powstawanie widma
Po separacji na kolumnie chromatograficznej cząsteczki danego związku
zostają wprowadzone do źródła jonów gdzie panuje temperatura 200 – 300 °C. W
tej części spektrometru cząsteczki „bombardowane” są elektronami emitowanymi z
włókien wolframowych. Elektrony przelatujące w pobliżu wspomnianej cząsteczki
powodują zakłócenie elektromagnetyczne i prowadzą do wybicia elektronu, przez co
cząsteczka staje się kationorodnikiem zachowując masę cząsteczki. Jon powstały
poprzez utratę jednego elektronu nazywany jest jonem molekularnym. Jeśli elektron
został usunięty z zewnętrznej (walencyjnej) powłoki – powstaje jon w podstawowym
stanie elektronowym (o niższej energii) M + . . Jony w podstawowym stanie
8
elektronowym mogą występować we wzbudzonym stanie oscylacyjnym. Gdy
cząsteczka traci elektron z głębszej powłoki – jon w stanie elektronowym
∗
wzbudzonym (o wyższej energii) M + ⋅ jak na poniższym schemacie:
∗
∗
n ⋅ M + energia  → a ⋅ M + . + b ⋅ M1+ ⋅ + c ⋅ M2+ ⋅ +  + n ⋅ e
↓
a ⋅ M + . + b ⋅ M1+ . + c ⋅ M2+ . + 
↓
+.
+
p ⋅ M + q ⋅ A + r ⋅ B+ + 
↓
widmo mas
I tak w pierwszej kolejności z n cząsteczek o masie M, które uległy jonizacji, powstają
jony molekularne w stanach nie wzbudzonych elektronowych, wzbudzonych
oscylacyjnych i wzbudzonych elektronowych. Następnie jony molekularne w stanach
wzbudzonych elektronowo, dokonują „przegrupowania” elektronu na zewnętrzne
powłoki, a nadmiar energii pozwala na przejście w stany wzbudzone oscylacyjne np.
M1+ . i M2+ . . Energia elektronowa zamieniona na energię drgań prowadzi do
fragmentacji jonów molekularnych (nieparzystoelektronowych) na jony z parzystą
liczbą elektronów walencyjnych np.
Α + lub Β + . Na tym etapie kończy się
fragmentacja. Może się jednak zdarzyć, że jon molekularny odszczepi cząsteczkę
obojętną niebędącą rodnikiem (np. H2O), tworząc jon nieparzystoelektronowy
mogący fragmentować dalej. Także jony parzystolektronowe mogą odszczepiać takie
cząsteczki. To czy dany jon jest widoczny w widmie zależy od jego „czasu życia”.
Jony trwałe nie fragmentują dalej, docierają do powielacza i zaznaczają swoją
obecność w widmie. Jony nietrwałe ulegają dość szybko fragmentacji i nie są
widoczne w widmie. Jony o pośrednim czasie życia, tzw. jony o pośredniej trwałości
(metastabilne), dają widoczny sygnał przy filtracji kwadrupolowej, ale nie są obecne
w widmie po filtracji sektorowej (magneto-elktrycznej).
9
Reakcje fragmentacji
Fragmentacja węglowodorów
Najłatwiejsze w ocenie jakościowej są widma węglowodorów alifatycznych i
aromatycznych. Cechą widm węglowodorów alifatycznych jest podobieństwo
wizualne, bogata fragmentacja i niska intensywność jonu molekularnego. Widmo ndekanu zawiera jon molekularny o m/z = 142 związany z wybiciem jednego elektronu
z czasteczki. Jon ten dociera do powielacza i zostaje zarejestrowany sygnał. Jon
molekularny węglowodorów alifatycznych jest nietrwały (parzysta masa i nieparzysta
liczba elektronów) i ulega rozpadowi na jony o nieparzystej masie i nieparzystej
⋅
⋅
⋅
liczbie elektronów, odszczepiając rodnik CH3 , CH2 -CH2 , CH2-CH2-CH2 , itp.
Powstają wtedy odpowiednio kationy o m/z 127, 113, 99 itp. Największą
intensywność
(największą
trwałość)
osiągają
jony
powstające
w
wyniku
⋅
odszczepienia rodnika CH2-CH2-CH2-CH2-CH2-CH2 . Generalnie trwalszy jest rodnik
mający dłuższy łańcuch. Reakcja fragmentacji polegająca na rozbiciu wiązania z
wytworzeniem rodnika i kationu nazywa się rozszczepieniem σ.
Abundance
#30005: Decane (CAS) $$ n-Decane $$ Isodecane $$ n-C10H22 $
57
43
9000
8000
7000
6000
5000
71
85
4000
3000
29
2000
99
1000
0
15
10
37
20
30
40
51
50
60
142
113
65
77
70
80
91
90
126
100
110
120
130
140
150
m/z-->
Rys 9. Widmo n-dekanu
Wiązania C-H są w jonach molekularnych słabsze od wiązań C-C. Zdarza się zatem,
głównie w węglowodorach rozgałęzionych, że w wyniku przegrupowania wodoru
(oznaczenie rH), zostaje odszczepiona
cząsteczka węglowodoru niebędąca
rodnikiem, np. eten lub propen. Wtedy powstaje jon o parzystej masie np. 56 czy 70:
10
Ponieważ jon o parzystej masie jest karbokationem, może fragmentować dalej
ulegając tzw. rozszczepieniu α czyli przeniesieniem elektronu z utworzeniem rodnika
i kationu. W widmach obecne są też jony związane z obecnością izotopu C13, mające
m/z wyższe o 1 od jonów zawierających wyłącznie izotop C12. Często jony
fragmentacyjne odszczepiają H2 tworząc jon stabilny o parzystej masie, zawierający
wiązanie
podwójne.
Fragmentacja
węglowodorów
rozgałęzionych
występuje
najczęściej w pobliżu rozgałęzień:
Jon węglowodorowy o m/z 57 łatwo odszczepia metan tworząc jon propenium (41),
który przechodzi w trwalszy jon cyklopropenium (39) pozbywając się wodoru:
CH3
H3C
-CH4
+
C
CH3
H3C
H2C
CH2
CH2 CH2
+
-CH4
CH
41
CH2
+
+
CH
-H2
HC
CH
39
57
Jon molekularny utworzony z węglowodoru cyklicznego jest trwalszy w porównaniu z
alkanami, a po rozpadzie fragmentuje jak alkan. Główne jony fragmentaryczne mają
wartości m/e zgodne z formułą CnH2n+1-2r gdzie r – liczba pierścieni, tworząc jony o
masach np. 27, 41, 55, 71, 85 itp. Po rozerwaniu pierścienia często odszczepia się
etylen lub propylen, dając intensywny jon o parzystej m/z:
Węglowodory
pojedynczo
nienasycone
fragmentują
z
zachowaniem
układu
allilowego w łańcuchu jonu; ich widma zawierają jony o m/z: 41, 55, 69, 83 itp.;
równolegle, w mniejszym stopniu, występuje też fragmentacja typowa dla alkanów:
11
69
83
CH2
CH2
H3C
CH2
H3C
CH2
CH2
CH2
CH2
H3C
CH2
.
CH
CH2
CH
CH2
CH2
CH2
CH2
.
CH2
H3C
CH2
H3C
2
+
CH2
CH2
+
CH
CH
CH2
CH2
+
CH
.
CH2
H3C
2
.
CH2
H3C
-eCH2
CH2
CH2
CH2
57
43
CH
jonizacja
CH
CH2
29
15
CH2
41
55
2
CH
H2C
.
CH2
CH2
+CH
+CH
2
+
HC
+CH
2
Abundance
#5956: 2-Heptene, (E)- (CAS) $$ trans-2-Heptene $$ (E)-2-H
55
9500
9000
8500
41
8000
7500
7000
6500
6000
27
5500
5000
69
4500
98
4000
3500
3000
2500
2000
1500
15
1000
500
0
83
50
63
36
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
77
65
70
75
91
80
85
90
95 100105
m/z-->
Rys 10. Widmo 2-heptenu
Przegrupowanie H i rozszczepienie indukowane miejscem rodnikowym prowadzi do
odszczepienia alkenu i powstania jonu o parzystej masie (tu 56 m/z):
.
CH3
HC
CH2
CH2
H
.
H2C
CH
CH2
CH3
CH2
+
CH2
H2C
CH2
CH2
+
CH2
.
CH3
H2C
CH2
CH2
+
CH2
+
CH
H2C
Podwójne wiązanie w alkenach może migrować, przez co izomery mogą być
nierozróżnialne.
Widma węglowodorów aromatycznych składają się z niewielkiej ilości dość
intensywnych pików. Najintensywniejsze sygnały pochodzą od jonów najtrwalszych.
Trwałe są jony molekularne – w przypadku propylobenzenu 120 m/z. W widmach
arenów (związki aromatyczno - alifatyczne) monoaromatycznych najwięcej jest jonów
związanych ze stabilizacją struktury kationu metylenobenzenowego o m/z = 91.
Cechą charakterystyczną fragmentacji arenów i benzenu jest odszczepianie
acetylenu i tworzenie jonów metastabilnych odpowiednio przy 65 i 52 m/z.
12
Abundance
#14927: Benzene, propyl- (CAS) $$ n-Propylbenzene $$ Isocum
91
9500
9000
8500
8000
7500
7000
6500
6000
5500
5000
4500
4000
3500
3000
2500
120
2000
1500
1000
30
40
105
58
45
20
78
51
27
500
0
65
39
50
73
60
84
70
80
115
98
90
100
110
120
m/z-->
Rys 11. Widmo n-propylobenzenu
Często
obecne
są
w
widmach
jony
związane
z
migracją
wodoru
w
monoalkilobenzenach, jak np. 77 (także 78 i 79) także odszczepiające acetylen:
+
CH
HC
CH
H2C
HC
CH
H2C
CH
71
CH2
+
+
HC
CH2
CH
26
51
W widmie widoczne są piki jonów pochodzące z fragmentacji łańcucha alifatycznego
– np. 105 a także 91 m/z.
Wprowadzenie do łańcucha węglowodorowego podstawników (grup funkcyjnych)
nieco wzbogaca możliwości fragmentacji. Równocześnie z powyżej przedstawionymi
reakcjami fragmentacji zachodzą reakcje związane z obecnymi w łańcuchu grupami.
Podstawniki dzieli się na:
nienasycone – zawierające wiązanie wielokrotne np.
O
C
HO
O
O
C
C
H2N
H
pojedyncze np.
O
H2 C
OH
C
H3C O
i nasycone – posiadające wyłącznie wiązania
H2C
NH2
H2C
Cl
Fragmentacja związków organicznych
Bardzo użyteczna teoria pozwalającą przewidzieć fragmentacje zakłada, że ładunek
powstały w wyniku wybicia elektronu ładunek dodatni skupiony jest w szczególnym
13
miejscu cząsteczki – jak np. rozgałęzienie, heteroatom, czy atom węgla związany z
heteroatomem. Oprócz wyżej wymienionych reakcji σ i rH, wyróżnić należy
rozsczepienia typu α i rozsczepienia typu i. Rozszczepienie α spowodowane jest
przeniesieniem elektronu, zaś i – przeniesieniem pary elektronowej. Przeniesienie
elektronu
oznacza się strzałką z pojedynczym
przeniesienie pary
Pomijając
i
grotem
oraz
, a
.
rozszczepienie rH, Związki
zawierające
podstawnik
nasycony
Y
fragmentować mogą dwojako: albo odszczepić Y, albo grupę R1 związaną z węglem,
przy którym Y występuje. Dodać należy, że Y lub R1 może być kationem lub
rodnikiem, w zależności od charakteru Y.
R1
R2 C
+
.
lub
Y
+
R3
+
R1
R2 C
Y= Cl, Br, OH, NH2, SH
Y
R3
R2
Y
+
lub
C
R1
+
R3
Fragmentacja związków z grupą nienasyconą jest prostsza – ładunek zostaje
zachowany na heteroatomie Y:
.
+
R
C
O
X
R
+
C
O
i
.
X
X = R, H, OH, NH2, OR
W poniższym opisie reakcji fragmentacji zostaną uwzględnione jedynie niektóre
grupy funkcyjne, występujące w związkach organicznych złożonych z pierwiastków
C, H, N, O i Cl.
Przykłady rozszczepień α i i
rozszczepienie α do miejsca nasyconego polega na przeniesieniu elektronu
rodnikowego (inicjacja) i elektronu z sąsiedniego wiązania przy węglu α:
14
H3C
.
OH
CH
CH2
+
.
H3C
CH2 + HC
CH3
OH
+
CH3
rozszczepienie α do miejsca nienasyconego przebiega podobnie:
H3C
.
C
CH2
O
+
.
H3C
CH2 +
CH3
C
+
O
CH3
rozszczepienie i do miejsca nasyconego jest inicjowane przez przeniesienie pary
elektronów z sąsiedniego wiązania na heteroatom:
.O
H3C CH2
+
.
+
CH2-CH3
H3C CH2 + O
CH2-CH3
rozszczepienie i do miejsca nienasyconego jest inicjowane przez przeniesienie pary
elektronów z sąsiedniego wiązania na atom węgla związany z heteroatomem:
CH3
H3C
C
C
.
O
CH3
+
H3C
CH3 CH3
C
+
+
CH3
.C
O
CH3
Przegrupowanie McLaffarty’ego (6-cio centrowe)
W cząsteczkach o dłuższych łańcuchach zawierających heteroatom może dojść do
przegrupowania atomu H do miejsca nasyconego, czego przykładem jest
charakterystyczna dla alkoholi eliminacja H2O:
.
+
H
OH
H2C
CH
CH
R1
CH2
R2
OH2
H2C
+
.
HC
CH
CH2
R2
.
HC
-H2O
H2C
R1
+
CH
R2
CH2
R1
Dla związków karbonylowych z kolei charakterystyczne jest przegrupowanie wodoru
do miejsca nienasyconego, reprezentowanego przez O=C:
15
.
O
+
H
CH
C
Y
CH
R2
.
+
OH
HC
+
R2
OH
C
CH2
C
Y
CH
R1
CH2
Y
CH
.
HC
R2
R2
CH2
.
OH
HC
C
+
CH
Y
HC
R1
R1
OH
.
CH
CH2
Y
R1
CH
CH2
R2
+
R1
Reakcje fragmentacji poszczególnych grup związków
Kwasy karboksylowe
• Przegrupowanie McLaferty’ego z odszczepieniem H2O
• Odejście rodnika OH
• Przegrupowanie H do C=O, odszczepienie cząsteczki obojętnej z utworzeniem
jonu CH2-C(OH)2+
• Przegrupowanie H i odszczepienie cząsteczki nienasyconej CH2=C(OH)2
Ketony
• Odszczepienie rodnika alkilowego z jednej lub z drugiej strony C=O
• Dalsze odejście CO
Aldehydy
⋅
Widoczny pik o masie M+ -1 związany z odszczepieniem rodnika wodorowego
• Odszczepienie rodnika przy grupie C=O
• W obu przypadkach odejście obojętnej cząsteczki CO
• Odszczepienie rodnika CHO
• Przegrupowanie H na O z utworzeniem jonu z wiązaniem nienasyconym
CH2=C(OH)H+
Estry
• Odszczepienie rodnika alkilowego przy O nasyconym (R-O-)
• Odszczepienie rodnika R-O
• Odejście rodnika przy grupie C=O z utworzeniem jonu R-O-C=O+
• Dalsze odejście obojętnej cząsteczki CO
•
16
mogą być także rodnikami
Chlorowcozwiązki
•
⋅
Związki zawierające Cl i Br mają wyraźny jon M+ +2 i bywają odszczepiane jako
⋅
⋅
rodniki, dla Cl intensywność jonu M+ jest 3 razy większa od M+ +2
• Odszczepienie HCl
• Odszczepienie rodnika Cl
Alkohole
• Tworzenie jonów CH2=OH+ w przypadku grup terminalnych
Przegrupowanie H na O i odszczepienie H2O z utworzeniem jonu o parzystej
masie (patrz Przegrupowanie McLaffarty’ego)
• Dalsza fragmentacja tego jonu z odszczepieniem alkenu (j.w.)
Etery (R1-O-R2)
• Odszczepienie rodnika alkilowego z utworzeniem jonu R1-O=CH2 lub R2-O=CH2
•
•
Przegrupowanie H na O z odszczepieniem R-OH
17
•
Odszczepienie rodnika R1-O lub R2-O
•
przegrupowanie (4-ro centrowe) H do miejsca nienasyconego z wytworzeniem jonu
CH2=OH+
H3C
CH2
CH
+
O
CH2
+
HO
H
CH2
+
H3C
CH2
CH
31
Aminy
• Terminalne dają jony, analogicznie do rozszczepienia α rozszczepień alkoholach
(patrz Przykłady rozszczepień α i i) dają wyraźny pik CH2=NH2+
• Aminy drugorzędowe - CH2=NRH+,
•
po czym następuje przegrupowanie (4-centrowe) H na N z wytworzeniem alkenu i
CH2=NH2+
H3C
CH2
CH
+NH
CH2
CH2
+
H N
+
H3C
2
H
CH2
CH
30
Przebieg ćwiczenia:
Wybór roztworu zawierającego nieznany związek
Zarejestrowanie chromatografu i widma
Rozwiązanie struktury związku w oparciu o wytyczne
Sprawozdanie:
Podanie 10-ciu sumarycznych reakcji fragmentacji wskazanego węglowodoru
Opis 5-ciu reakcji fragmentacji wskazanego związku w oparciu o instrukcję do ćwiczeń
18
Ustalanie struktury:
Zastosowanie analizatorów (filtrów) mas o wysokiej rozdzielczości, jak analizator
czasu przelotu czy analizator z sekcjami magnetyczną i elektryczną, pozwala rejestrować
masy jonów z dużą dokładnością np. dla heksanu 86,1096. Tak dokładna masa znacznie
ułatwia identyfikację. Analizatory kwadupolowe podają masę jonu heksanu jako 86 m/z,
zatem identyfikacja opiera się głównie na wzorze fragmentacji i czasie retencji w przypadku
sprzężenia detektora z chromatografem.
Jak zatem postępować gdy mamy widmo związku zarejestrowane przy niskiej rozdzielczości,
a chcemy wiedzieć co to za związek ? Weźmy widmo:
1.
Szukamy jonu molekularnego A i A+1 – typujemy w tabeli jony podejrzane
2.
Zgodnie ze wzorem C N =
( A + 1) ⋅ 100
obliczamy dla wybranego jonu liczbę węgli
1,1 ⋅ A
(61) ⋅ 100
= 3,2
w łańcuchu: C N =
1,1 ⋅ 1730
19
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
Przyjmujemy błąd obliczeń ±10 % dla CN i określamy możliwe liczby węgli w
cząsteczce dla 3,2 mamy 3,2⋅1,1=3,52 i 3,2⋅0,9=2,88, czyli może być 4 lub 3
atomy węgla
Oceniamy cząsteczkę pod względem obecności azotu według reguły:
Masa parzysta – parzysta lub zerowa liczba N
Masa nieparzysta – nieparzysta liczba N
Wybrana masa 74 oznacza brak N lub dwa N
Sprawdzamy czy w masie A „zmieści” się C N = 3 węgli: 3⋅12=36
Dla pierwszej liczby węgli odejmujemy od masy cząsteczki masę samych atomów
węgla: 74-36=38
Typujemy atom (atomy brakujące) i układamy wzory sumaryczne tak, aby tylko
zgadzała się masa cząsteczkowa:
hipoteza I: dwa N to 28 i zostaje 10 na H - C3N2H10
hipoteza II: zero N, ale dwa O oraz 6 H - C3O2H6
Obliczamy sumę liczb pierścieni i wiązań nienasyconych NRDB ze wzoru:
NRDB = LC – 0,5⋅LH + 0,5LN + 1
indeksy oznaczają liczby atomów C – węgla (lub Si), H - wodoru (lub F, Cl, Br i I),
N – azotu (lub P). Jeśli NRDB jest ujemna – nie ma wiązań podwójnych i zbyt dużo
w cząsteczce atomów A, zero oznacza że nie ma wiązań podwójnych, a liczba
dodatnia podje ilość wiązań podwójnych.
hipoteza I: NRDB = 3 – 0,5⋅10 + 0,5⋅2 + 1 = 0
hipoteza II: NRDB = 3 – 0,5⋅6 + 0,5⋅0 + 1 = 1
Próbujemy ułożyć możliwe wzory strukturalne (ester, tiamina, alkohol
nienasycony, kwas, itp.)
Wzory weryfikujemy w oparciu o widmo, w tym przypadku najlepiej trafiony jest
octan metylu:
11. Jeśli by się nie udało dla 3 atomów węgla należałoby rozważyć strukturę z
czterema atomami i powtórzyć czynności
Literatura
• E. de Hoffmann, J. Charette, V. Stroobant. Spektrometria mas, WNT, Warszawa 1998.
• M. McMaster, Ch. McMaster, GC/MS, A Practical User’s Guide, Wiley-VCH, New York,
1998
• R.A.W. Johnstone, M. E. Rose, Spektrometria mas w chemii organicznej, PWN,
Warszawa 2001,
• A. S. Płaziak, Spektrometria masowa związków organicznych, UAM, Poznań 1997,
• R. M. Silverstein, F. X. Webster, D. J. Kremle, Spektroskopowe metody identyfikacji
związków organicznych, PWN, Warszawa 2007.
20