Zastosowanie spektrometrii mas w analizie

Spektrometria mas (1)
Opracował: Wojciech Augustyniak
Spektrometr masowy ma źródło jonów, które jonizuje próbkę. Jony wędrują w polu
elektromagnetycznym do detektora.
Metody jonizacji:
- elektronowa (EI)
- chemiczna (CI)
- bombardowanie szybkimi atomami (FAB) lub jonami (FIB) – metody LSIMS (spektrometria jonów
wtórnych w ciekłej matrycy)
- polem (FI), desorpcja polem (FD)
- termosprej (TSI)
- elektrosprej (ESI)
- chemiczna (lub fotojonizacja) pod ciśnieniem atmosferycznym (APCI lub APPI)
- desorpcja promieniem laserowym z użyciem matrycy (MALDI), na krzemie (DIOS), lub
wzmocniona powierzchnią (SELDI)
- plazmą wzbudzaną indukcyjnie (ICP)
Analizatory masy:
- magnetyczny (B)
- magnetyczny i elektryczny (BE) lub odwrotnie (EB)
- kwadrupolowy (Q)
- pułapka jonowa (IT lub QIT)
- czasu przelotu (TOF)
- jonowy rezonans cyklotronowy (ICR)
1
Opracował: Wojciech Augustyniak
Spektrometria mas (2)
Widmo MS – względna intensywność (wysokość) piku od stosunku m/z; piki pochodzą od jonów
wytworzonych podczas jonizacji związku, oraz od naładowanych elektrycznie produktów rozpadu
tych jonów.
Informacje z widm MS:
- masa cząsteczkowa związku (masa nominalna, monoizotopowa, średnia) – pik jonu
molekularnego lub pseudomolekularnego (dla łagodnych metod jonizacji tj. EI, FAB, LSIMS, CI,
ESI, MALDI) przy różnych napięciach na źródle jonów
- skład elementarny związku – dokładny pomiar masy cząsteczkowej i dopasowanie, profile
izotopowe
- struktura związku – analiza fragmentacji, badanie ścieżek fragmentacji (MS/MS), wymiana
izotopowa, badanie pochodnych związków
Polecane materiały: wykłady prof. Witolda Danikiewicza (Instytut Chemii Organicznej PAN)
na ww2.icho.edu.pl
Widma: www.aist.go.jp
2
Opracował: Wojciech Augustyniak
Masa cząsteczkowa związku
Reguła azotowa:
- dla jonów nieparzystoelektronowych (powstających głównie w EI): parzysta masa
cząsteczkowa związku oznacza parzystą ilość atomów azotu w cząsteczce, nieparzysta masa
cząsteczkowa oznacza nieparzystą liczbę atomów azotu
- dla jonów parzystoelektronowych (głównie w ESI, APCI, MALDI): parzysta masa
cząsteczkowa związku oznacza nieparzystą liczbę atomów azotu, a nieparzysta masa
cząsteczkowa parzystą liczbę atomów azotu
Jon molekularny w EI musi być jonem o najwyższej masie (pomijając jony izotopowe), a masy
najbliższych mu jonów fragmentacyjnych muszą dać się wyjaśnić
Jon pseudomolekularny (inaczej quasimolekularny, lub jon typu molekularnego, powstaje
w ESI, APCI, LSIMS) musi tłumaczyć:
- ewentualne tworzenie klasterów z innymi związkami w próbce, w tym z rozpuszczalnikiem
(ESI) lub z matrycą (LSIMS)
- piki pochodzące od jonów naładowanych wielokrotnie (w ESI i LSIMS)
- zakwaszenie powinno dawać pik M+H+, a w obecności soli sodowej także M+Na+
- w przypadku związków amfoterycznych jon pseudomolekularny dodatni powinien być większy
od jonu ujemnego o 2 jednostki (M+H+ vs M-H+)
3
Opracował: Wojciech Augustyniak
4
Opracował: Wojciech Augustyniak
5
Opracował: Wojciech Augustyniak
6
Jonizacja chemiczna
Opracował: Wojciech Augustyniak
CI za pomocą gazu, można tworzyć kationy (PCI) lub aniony (NCI)
Widma Phe PCI i NCI
7
LSIMS
Opracował: Wojciech Augustyniak
LSIMS w jonach dodatnich
i ujemnych – porównanie
LSIMS umożliwia obserwację klasterów
związków, w jonizacji dodatniej są piki
nM+H+, w ujemnej nM-H+
8
Opracował: Wojciech Augustyniak
Elektrosprej
ESI nadaje się do analizy peptydów,
białek, nukleotydów, a także kompleksów
9
MALDI-TOF
Opracował: Wojciech Augustyniak
MALDI stosuje się głównie do badań związków wysokocząsteczkowych, np. białek i polimerów
10
Opracował: Wojciech Augustyniak
11
Opracował: Wojciech Augustyniak
12
Fragmentacja (1)
Opracował: Wojciech Augustyniak
Jony nieparzystoelektronowe:
Alkany i fluorowcoalkany: rozpad σ (preferowane jest
tworzenie kationu o jak najwyższej rzędowości, oraz
odrywanie jak największej grupy alkilowej)
.
R+C
R C
R.
+C
Alkeny: rozpad allilowy (α)
R
H2
C
C
H
CH2
R
H2
C
+.
C
CH2
H
R.
+
H
Rozpad α (schemat przedstawia
wariant nasycony i nienasycony),
odrywany jest alkil jak największy lub
o jak najwyższej rzędowości, tworzy się
najlepiej stabilizowany kation
Rozpad i (wariant nasycony pokazany
na schemacie; wariant nienasycony
podobny do rozpadu α przy odwrotnej
lokalizacji ładunku i niesparowanego
elektronu w produktach fragmentacji),
preferowane jest tworzenie kationu
większego, lub o wyższej rzędowości
R1
H2C
H2
C
C
+
H2C Y R2
CH2
+
R2
Y
H2
C
R1
Y
R2
R1 .
+.
+
H2C Y R2
+
+.
Y
R1
Y
C
R1
R2
R1 .
C
+
Y C R2
+
R2
Y C R2
+
R1
Y R2
R1
+.
Y R2
R1 +
+
. Y R2
Rozpady α i i konkurują ze sobą!
13
Opracował: Wojciech Augustyniak
Fragmentacja (2)
Jony parzystoelektronowe: rozpad i z eliminacją cząsteczki obojętnej, dotyczy także
jonów wtórnych
+
Wariant nasycony:
R YH
Wariant nienasycony:
H2C Y R
R+
R YH2
R+
+
+
+
YH2
Y CH2
Przegrupowania:
Przegrupowanie McLafferty’ego z 6-członowym cyklicznym stanem przejściowym:
.+
Y
R2
R1
H
R1
Y
R2
H
+.
R1
Y
.
H
+
R1
Y
R2
+
.
H
R1
Y
+
R2
+
Y
.
R2
R1
H
.
+
+
R2
Y
R2
14
Fragmentacja (3)
Opracował: Wojciech Augustyniak
Przegrupowanie McLafferty’ego dla alkilobenzenów:
R
H
H
R
H
.
H
R
.
R
H
+
+
.
+
H
+
.
+
R
H
H2C +
Przegrupowanie wodoru do miejsca nasyconego przebiega przez cykliczny stan przejściowy
o dowolnej liczbie członów:
+.
R
H
Y
H
Y
R
H
.
+
Y
R
+
.+
HYR
.
.
+
+
HYR
15
Opracował: Wojciech Augustyniak
Fragmentacja (4)
Przegrupowanie wodoru do miejsca nasyconego dla orto-pochodnych kwasu benzoesowego:
H
H
Y
Y
R
O
R
O+
O
.
Y
.
Y
R
O
H
ROH
O
O
O
+
+.
+
Przegrupowanie wodoru do miejsca nasyconego dla orto-nitroalkilobenzenów:
H
H
R
N
R
.
R
O
+
N
O
O
.
+
N
O
R
H
R
+
H
O
+
N
O
.
+
N
O.
O
HO
O
Przegrupowanie wodoru do miejsca nasyconego dla estrów kwasu octowego (eliminacja ketenu):
R O
O
H
+.
R O
O
H
+
R O
H
.
+.
ROH
+
O
O
16
Fragmentacja (5)
Opracował: Wojciech Augustyniak
Podwójne przegrupowanie wodoru do nasyconego atomu w estrach:
H
R1
H
H
O
H
H +.
O
R1
R2
O
O
R2
.
+
R
+
+
R
.
. H O
R1
H O
R2
O
O
+
+
R
R2
O
R2
H
R1
+
R1
O
Otwarcie pierścienia nasyconego:
.
+
.H O
R1
+. H
O
H
H
R2
+
Otwarcie pierścienia cykloheksenowego - reakcja retro-Dielsa-Aldera:
R
R
.
R
R
.
+
Podstawienie z cyklizacją, częste
u bromopochodnych alkilowych:
R1
R2
Y
R1
+.
Y
R2
R
R2
Y
+
+
.
+
+
+
.
+
+
R1 .
17
Opracował: Wojciech Augustyniak
MS węglowodorów (1)
C7H16
27.0
29.0
39.0
40.0
41.0
42.0
43.0
44.0
53.0
55.0
12
24
9
1
36
9
100
3
1
15
56.0
57.0
58.0
69.0
70.0
71.0
72.0
84.0
85.0
100.0
39
52
2
2
46
58
3
1
5
4
C6H12
26.0
27.0
28.0
29.0
38.0
39.0
40.0
41.0
42.0
43.0
44.0
50.0
2
32
6
18
2
30
6
95
72
58
2
2
51.0
52.0
53.0
54.0
55.0
56.0
57.0
67.0
69.0
70.0
84.0
85.0
2
1
6
5
64
100
6
2
24
1
29
2
18
Opracował: Wojciech Augustyniak
MS węglowodorów (2)
C6H12
18.0
26.0
27.0
28.0
29.0
38.0
39.0
40.0
41.0
42.0
43.0
50.0
51.0
1
1
11
6
8
1
15
3
50
25
23
1
1
53.0
54.0
55.0
56.0
57.0
67.0
68.0
69.0
70.0
71.0
83.0
84.0
85.0
3
4
31
100
14
2
2
25
2
1
4
71
8
C7H12
15.0
26.0
27.0
28.0
29.0
36.0
38.0
39.0
40.0
41.0
42.0
50.0
1
1
14
2
7
1
1
26
4
16
3
2
51.0
52.0
53.0
54.0
55.0
56.0
63.0
65.0
66.0
67.0
68.0
69.0
4
2
14
63
39
2
1
3
3
33
31
2
77.0
78.0
79.0
80.0
81.0
82.0
91.0
95.0
96.0
97.0
5
1
10
1
100
7
1
6
40
3
19
Opracował: Wojciech Augustyniak
MS węglowodorów i nitropochodnych
C10H14
27.0
28.0
29.0
39.0
41.0
43.0
50.0
51.0
52.0
53.0
63.0
65.0
77.0
78.0
5
1
2
7
4
2
2
6
1
1
3
12
6
6
79.0
89.0
90.0
91.0
92.0
93.0
103.0
104.0
105.0
106.0
115.0
119.0
134.0
135.0
3
2
1
100
59
4
2
2
9
1
1
1
26
2
C7H8NO2
26.0
27.0
28.0
30.0
37.0
38.0
39.0
40.0
41.0
50.0
51.0
52.0
53.0
1
3
2
3
1
4
25
1
6
7
12
4
3
53.0
61.0
62.0
63.0
64.0
65.0
66.0
74.0
75.0
76.0
77.0
78.0
79.0
3
2
5
17
7
79
6
1
1
1
19
4
4
86.0
87.0
89.0
90.0
91.0
92.0
93.0
119.0
120.0
121.0
137.0
138.0
1
1
17
9
60
49
6
0
100
9
12
1
20
Opracował: Wojciech Augustyniak
MS chlorowcopochodnych
C5H11Cl
15.0
26.0
27.0
28.0
29.0
36.0
38.0
39.0
40.0
41.0
42.0
1
2
26
6
37
1
2
18
3
69
100
43.0
44.0
49.0
50.0
51.0
53.0
54.0
55.0
56.0
57.0
58.0
38
1
4
1
2
2
1
92
6
21
1
62.0
63.0
65.0
69.0
70.0
71.0
77.0
91.0
106.0
1
4
1
3
95
5
1
2
1
C12H25Br
27.0
28.0
29.0
39.0
40.0
41.0
42.0
43.0
44.0
53.0
54.0
55.0
56.0
57.0
58.0
9
2
18
6
1
42
10
89
3
2
2
49
15
100
4
67.0
68.0
69.0
70.0
71.0
72.0
82.0
83.0
84.0
85.0
86.0
97.0
98.0
99.0
107.0
2
2
41
10
48
2
1
17
4
26
1
8
2
6
1
109.0
111.0
113.0
121.0
123.0
127.0
135.0
136.0
137.0
138.0
149.0
150.0
151.0
163.0
165.0
1
2
4
1
1
1
60
2
58
2
10
1
10
1
1
21
MS alkoholi
Opracował: Wojciech Augustyniak
C3H8O
15.0
26.0
27.0
28.0
29.0
30.0
31.0
32.0
33.0
1
2
10
3
6
1
100
2
1
39.0
41.0
42.0
43.0
45.0
57.0
59.0
60.0
3
7
12
2
1
1
15
10
C5H12O
15.0
26.0
27.0
28.0
29.0
30.0
31.0
39.0
40.0
41.0
42.0
43.0
1
1
17
3
38
1
43
11
2
50
100
21
44.0
45.0
53.0
54.0
55.0
56.0
57.0
58.0
60.0
69.0
70.0
71.0
2
4
1
1
65
15
21
1
1
5
51
4
22
Opracował: Wojciech Augustyniak
MS ketonów (1)
C5H10O
C4H8O
14.0
15.0
18.0
26.0
27.0
28.0
29.0
39.0
41.0
42.0
43.0
44.0
57.0
72.0
73.0
1
6
1
2
8
1
18
1
1
4
100
2
8
22
1
14.0
15.0
26.0
27.0
28.0
29.0
37.0
38.0
39.0
40.0
41.0
1
9
3
19
3
3
1
2
16
2
26
42.0
43.0
44.0
45.0
50.0
51.0
57.0
71.0
86.0
87.0
4
100
2
1
1
1
3
6
22
1
23
Opracował: Wojciech Augustyniak
MS ketonów (2)
C5H10O
C6H12O
15.0
27.0
28.0
29.0
38.0
39.0
40.0
41.0
4
5
1
36
1
11
1
55
43.0
55.0
56.0
57.0
58.0
85.0
100.0
101.0
32
3
4
100
4
4
14
1
26.0
27.0
28.0
29.0
30.0
39.0
41.0
42.0
2
12
4
59
1
1
2
1
43.0
55.0
56.0
57.0
58.0
86.0
87.0
1
1
3
100
3
21
1
24
Opracował: Wojciech Augustyniak
MS ketonów i eterów
C6H12O
15.0
18.0
26.0
27.0
28.0
29.0
39.0
41.0
42.0
3
1
1
8
2
14
5
14
3
43.0
44.0
55.0
57.0
58.0
59.0
71.0
85.0
100.0
100
2
1
15
49
3
5
6
8
C5H12O
15.0
26.0
27.0
28.0
29.0
30.0
31.0
32.0
39.0
40.0
41.0
42.0
3
3
23
7
34
1
100
1
6
1
22
4
43.0
44.0
45.0
57.0
59.0
60.0
73.0
78.0
87.0
88.0
89.0
39
1
10
1
98
3
3
1
1
25
1
25
Opracował: Wojciech Augustyniak
MS kwasów karboksylowych i estrów
C7H6O3
15.0
26.0
27.0
28.0
29.0
30.0
31.0
39.0
40.0
41.0
42.0
43.0
1
1
17
3
38
1
43
11
2
50
100
21
44.0
45.0
53.0
54.0
55.0
56.0
57.0
58.0
60.0
69.0
70.0
71.0
2
4
1
1
65
15
21
1
1
5
51
4
C9H10O2
27.0
28.0
29.0
39.0
45.0
50.0
51.0
52.0
74.0
75.0
76.0
3
1
3
1
1
5
16
1
1
1
2
77.0
104.0
105.0
106.0
122.0
123.0
135.0
149.0
150.0
151.0
40
0
100
9
30
2
1
1
21
2
26
MS estrów
Opracował: Wojciech Augustyniak
C6H12O2
C10H12O2
26.0
27.0
28.0
29.0
38.0
39.0
41.0
50.0
51.0
52.0
56.0
1
7
3
30
1
9
2
3
9
2
1
57.0
58.0
62.0
63.0
64.0
65.0
77.0
78.0
79.0
80.0
89.0
45
1
1
4
1
16
12
3
17
1
7
90.0
91.0
92.0
105.0
107.0
108.0
109.0
164.0
165.0
24
100
7
3
10
85
6
20
2
15.0
27.0
28.0
29.0
31.0
39.0
41.0
42.0
43.0
3
5
2
6
1
2
14
2
100
44.0
55.0
56.0
57.0
58.0
61.0
71.0
73.0
87.0
2
7
44
4
2
14
1
14
1
27