APOSTILA - Espectrometria de Massas

APOSTILA - Espectrometria de Massas

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Textos curriculares de Análise Orgânica – QMC 5215 e QMC 5226 Prof. Moacir Geraldo Pizzolatti – Departamento de Química -UFSC

3.1 - INTRODUÇÃO

A espectrometria de massas se constitui numa importante ferramenta de análise orgânica cujo propósito central é converter uma substância em sub-produtos (fragmentos moleculares) mensuráveis que são indicativos da estrutura da molécula original. A reação é iniciada com a ionização da amostra através da remoção de um elétron da camada de valência, formando uma espécie altamente energética que se degrada tal que os produtos formados são cátions, ânions, radicais e pequenas moléculas neutras.

A substância a ser analisada é introduzida na câmara de ionização do Espectrômetro de Massas onde é vaporizada e as moléculas, no estado gasoso sob baixa pressão (10 atm.), são bombardeadas com um feixe de elétrons de alta energia (70 eV que corresponde a aproximadamente 1600 Kcal/mol). No primeiro momento ocorre a remoção de um elétron da camada de valência produzindo um íon molecular carregado positivamente. Este íon molecular, contendo um número ímpar de elétrons é na verdade um cátion radical.

M + e M + 2e

Os íons moleculares cátion radical (M) formados inicialmente contém um excesso de energia que não é igual para todos os íons. Este excesso de energia é suficiente para produzir a quebra de ligações (a energia das ligações covalentes estão na faixa de 50 a 100 kcal/mol) resultando na fragmentação do íon molecular em partículas menores originando vários novos cátions, ânions, radicais livres e pequenas moléculas neutras, todos no estado gasoso. Os íons positivos são separados da mistura resultante com base nas suas razões massa/carga (m/z) e as suas abundâncias relativas são registras num plote de intensidade vs m/z, que é o que chamamos de espectro de massas. Estamos falando aqui da ionização por impacto de elétros, que é o modo de ionização mais comum nos espectrometros de massas. Existem vários outros modos de ionização da molécula que não falaremos neste texto, tais como: Foto Ionização, Ionização Química, Ionização de Campo (para amostras em fase gasosa); Termospray e Eletrospray (para amostras em solução) e Desorção de Campo, Desorção de Plasma, Bombardeamento de átomo rápido (para amostras na fase sólida) entre outros.

A fragmentação do íon molecular ocorre por vários caminhos (mecanismos) dependendo da natureza química do íon molecular em particular, sempre de forma previsível conforme as forças de ligação e estabilidade dos fragmentos iônicos formados.

Todos os fragmentos carregados positivamente passam através de uma série de fendas constituídas por placas carregadas negativamente onde são acelerados e enviados para dentro do analisador de íons, onde então serão separados pela razão massa/carga (m/z). Existem vários tipos de analisadores de íons. Falaremos aqui do analisador magnético cuja arquitetura é um tubo curvado (tubo analisador) que está sob a influência de um campo magnético externo variável. Uma partícula movendo-se através de um campo magnético tem sua trajetória definida pelas leis da física. Assim os íons se movem numa trajetória que é parte de um círculo e, dependendo da força deste campo magnético, um íon em particular seguirá a mesma trajetória da curvatura do tubo analisador incidindo finalmente num coletor de íons onde sua intensidade é registrada eletronicamente. A intensidade é a medida da abundância do íon na amostra e depende da estabilidade do referido íon. O raio da curvatura dessa trajetória circular está relacionado com a razão massa/carga (m/z), força do campo magnético Bo e com voltagem de aceleração. Assim, cada íon fragmento formado deverá ser focalizado para que possa ter a mesma trajetória desenhada pelo tubo analisador. A focalização dos fragmentos iônicos pode ser feita de duas maneiras: a) manter a voltagem de aceleração constante e variar o campo magnético Bo b) manter o campo magnético Bo constante e variar a voltagem de aceleração. A espectrometria de massas, portanto, analisa espécies iônicas onde quatro etapas básicas estão envolvidas (Fig. 3.1):

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1) Ionização. O processo de ionização converte as moléculas ou átomos da amostra em espécies iônicas numa fase gasosa. 2) Fragmentação. A energia acumulada durante a ionização é dissipada quebrando as moléculas em fragmentos característicos e previsíveis para cada estrutura moleculaar. 2) Separação e análise das massas do íom molecular e seus fragmentos iônicos com base em suas rasões massa carga. 3) Detecção. A corrente iônica formada devido as massas iônicas sepradas, é medida amplificada e exibida na forma de um espetro de massas

Figura 3.1: Ilustração das quatro etapas básicas na análise por Espectrometria de Massas.

A Figura 3.2 mostra uma visão simplificada de um Esprectrômetro de Massas que está constituído por vários componentes: a) sistema de transferência da amostra a pressão atmosférica para a câmara de ionização que está sob alto vácuo (10 a 10 torr); b) câmara de ionização com uma fonte de íons que converte moléculas neutras em íons na fase gasosa; c) um sistema de aceleração de partículas e focalização; d) analisador de massas que separa a enalisa as massas das espécies iônicas conectado a um sistema de alto vácuo que remove as partículas neutras e radicalares. A trajetória dos íons é controlada por um campo elétrico ou magnético variável; e) coletor-detetor de íons que mede a amplifica a corente iônica gerada pelos ions-massa resolvidos; e) sistema de registro, armazenamento e tratamento de dados; f) sistema de alto vácuo que mantém os componentes do espetrometro de massas a uma baixa pressão na faixa de 10 a 10 torr.

Figura 3.2: Esquema de um Espectrometro de Massas.

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Os Espetrometros de Massas podem ser de alta resolução ou baixa resolução. EM de baixa resolução distingue íons de diferentes massas nominais, isto é íons que diferem por uma unidade de massa atômica. Espectrômetro de Massas de Alta Resolução (EMAR) são instrumentos capazes de distinguir íons que diferem suas massas com precisão de 0,0001 uma. Assim, por Ex. dois compostos com formula molecular CHO e CHO não são distinguíveis pela análise de Massa de Baixa Resolução. A distinção de suas massas só é possível com o uso de um RMAR:

CHO tem massa nominal 60 uma, massa precisa = 60,05754 uma

CHO tem massa nominal 60 uma, massa precisa = 60,02112 uma O exemplo a seguir mostra a alta performance de um Espetrometro de Massas de Alta Resolução: os seis compostos representados pelas formulas moleculares possuem massa nominal 70 uma, no entanto apresentam distintas massas exatas que são detectadas pelo EMAR.

3.2 - FRAGMENTAÇÃO

Os 70 eV, equivalente a 1600 kcal/mol, são suficientes não somente para deslocar um elétron da camada de valência da molécula mas também para ocasionar uma extensiva quebra de ligações química originando uma série de fragmentos. Estes fragmentos podem ser instáveis e por sua vez se quebrarem em fragmentos menores.

O íon molecular, dependendo de sua estabilidade, pode ter um tempo de vida suficientemente grande dentro do tubo analisador para que seja observado como pico base. Isto é o pico mais intenso (100%) do Espectro de Massas. Se for uma espécie instável, sua vida média pode ser tão curta que é observado somente em baixa abundância ou mesmo não ser observado. Como todo o fragmento observado no EM são espécies carregadas positivamente, as suas abundâncias relativas estão relacionadas com a estabilidade dos respectivos carbocátions. Assim muitos fragmentos, os menos estáveis, sofrem futuras fragmentações. Como resultado o EM de um composto consiste de um pico para o íon molecular e uma série de picos de íons fragmentos. O padrão de fragmentação e a abundância relativa dos picos é única para cada tipo de substância e característica desta substância, o que se constitui numa excelente ferramenta na determinação estrutural das moléculas.

Os fundamentos químicos da fragmentação pode ser entendido em termos de formação e estabilidade relativa de carbocátions. Quando a fragmentação ocorre formando novos carbocátions o modo de fragmentação que origina o carbocátion mais estável é favorecida.

Vimos que quando uma molécula recebe o impacto de elétron, ocorre a abstração de um elétron da camada de valência. Qual elétron será arrancado? A facilidade de saída do elétron da molécula segue a seguinte ordem:

elétrons n > elétrons conjugado > elétrons > elétrons σ. Então a carga sobre o íon molecular pode estar deslocalizada sobre um sistema de elétrons ou localizada sobre um heteroátomo ou mesmo um carbono. No mecanismo de fragmentação, o deslocamento de um simples elétron é representado por uma meia seta curvada. Note que um ponto de fragmentação envolve a quebra de uma ligação, o que requer a movimentação de dois elétrons. A possibilidade de quebra de uma ligação está relacionada com a força desta ligação (sua reatividade química), com a possibilidade de transições de baixa energia e com a estabilidade dos fragmentos (carregados ou não) formados no processo de fragmentação. Algumas regras gerais podem ser delineadas para prever os pontos de fragmentação em uma molécula: 1- a quebra de uma ligação está favorecida nos pontos de ramificação das moléculas no sentido de formar carbocátions mais estáveis. Quanto maior o número de ramificações visinhas a uma ligação mais fácil será sua quebra, isto porque irá formar carbocátions mais substituídos. Lembre que a ordem de estabilidade dos carbocátions é: benzílico ~ alílico (terciário) > terciários > benzílico ~ alílico (secundário) > secundários > primários. Geralmente o maior substituinte (em número de átomos de carbono) da ramificação é eliminado preferencialmente, pois radical de cadeia longa tem maior estabilidade. Por exemplo, na molécula de 2,2-dimetil butano a quebra na ramificação pode originar o cation t-butil (saída do radical etil) e o cátion 2-metil-2-butil (saída

Textos curriculares de Análise Orgânica – QMC 5215 e QMC 5226 Prof. Moacir Geraldo Pizzolatti – Departamento de Química -UFSC do radical metil), ambos terciários. Como o radical etil é mais estável que o metil, a formação do carbocation t-butil é favorecida.

2- Anéis saturados tendem a perder a cadeia lateral, ou seja a quebra ocorre na ramificação.

3- Ligações dupla, heteroátomos, estruturas cíclicas e estruturas aromáticas estabilizam o íon molecular. 4- Ligação dupla favorece a quebra alílica por proporcionar uma estabilização por ressonância do carbocation formado.

5- Aromáticos alquil substituídos favorecem a quebra benzílica (quebra da ligação ao anel) devido que o cátion benzílico é estabilizado por ressonância e formação do íon tropilium com m/z 91. Estas estruturas também perdem a cadeia lateral originando o cátion fenil com m/z 7.

7- A quebra de lig. C-C próximas a heteroátomos está favorecida, pois o cátion formado pode ser etabilizado pelos elétrons não ligantes deste heteroátomo.

8- São favorecidas as quebras associadas a eliminação de pequenas moléculas neutras como CO, CO, água, olefinas, amônia, cetonas, álcoois, HS, HCN.

CH3

CH3CH2 CH3

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9- Compostos carbonílicos com Hidrogênio no Carbono sofrem rearranjo de McLafferty

Todos os compostos orgânicos que contém H, C, N, O, S, Cl e Br em sua estrutura molecular são misturas de isótopos. Por Ex. na natureza o carbono é encontrado em 98,89% como isótopo 12 e 1,1% como isótopo 13. Portanto para cada 100 átomos de “carbono 12” temos 1,1 átomos de “carbono 13”. A tabela 4.1 mostra as porcentagens de isótopos dos elementos mais freqüentemente encontrados nos compostos orgânicos. Por Ex. O íon molecular no EM da dopamina é 153 m/z e (M+1) é 154 m/z devido a presença de isótopos C e H na estrutura molecular

Elemento Abundância natural de isótopos encontrado em Compostos Orgânicos Carbono C = 98,89% C = 1,1% Oxigênio O = 9,76 % O = 0,37% e O = 0,204% Nitrogênio N = 9,63 % N = 0,37% Hidrogênio H = 9,9% H = 0,01%

Cloro Cl = 75,7% Cl = 24,23% Bromo Br = 50,69% Br = 49,31%

Tabela 3.1 – Abundância isotópica dos principais átomos que aparecem nos compostos orgânicos.

A abundância relativa dos picos (M), (M – 1) e (M–2) está diretamente relacionada a abundância relativa dos isótopos na natureza. O íon (M+2) com maior intensidade ocorre geralmente devido a presença de Cl ou Br devido aos seus isotopos 35-37 e 79-81 respectivamente.

Observando EM do cloreto de isopropila, a presença do íon molecular na forma [M]=78 e [M+2]=80 na proporção de 3:1 é um indicativo da presença de cloro na molécula. Do mesmo modo, no EM do brometo de n-propila, a observação de [M]=122 e [M+2]=124 na proporção de 1:1, é forte indicativo da presença de bromo na molécula.

RC H CH2

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3.3 – MECANISMOS DE FRAGMENTAÇÃO PARA FUNÇÕES ORGÂNICAS

3.3.1 – HIDROCARBONETOS ALCANOS

Acanos linerares sofrem fragmentação formando uma série de cátions que diferem entre si em massa por m/z 14, ou seja um grupo metileno (CH). O ponto mais frágil para fragmentação tende a ser mais para o meio da molécula formando os cátions e radicais mais estáveis. O pico molecular diminui em intensidade rapidamente com o aumento da cadeia carbonada linear. O íon molecular de baixa intensidade também é uma característica marcante dos hidrocarbonatos saturados, pois não há nenhum fator que estabiliza o ión radical molecular. No EM do n-octano, por Ex., O fragmento mais estável ocorre a m/z 43 e os demais diminuem em intensidade a medida que se diferem em 14 uma, ou seja um grupo CH

Os hidrocarbonetos ramificados tem a principal quebra preferencialente na ligação C-C da ramificação, formando o carbocátion mais estável. Comparando os espectros de massas dos isômeros CH, o n-pentano tem o padrão de fragmentação dos hidrocarbonetos lineares. No 2-metil butano, o pico m/z= 57 (M-15) é muito mais intenso devido a formação do carbocátion secundário 2-butil mais estável em relação carbocátion primário n-butil formado a partir do n-pentano.

CH2 CH2 CH2 CH3CH3 CH2 CH2 CH2

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O 2,2,4-trimetilpentano mostra o pico base a m/z 57 devido que a fragmentação na ramificação dá origem ao carbocátion terciário t-butil. Os outros dois picos mais importantes são devido aos cátions alil a m/z 41 e isopropil a m/z 43. Note que o pico íon molecular está ausente. Isto pode ser explicado pela fragilidade da ligação C-C no ponto de ramificação.

O espectro de massas do 2,2-dimetilpentano é bastante semelhante onde podemos observar os dois fragmentos iônicos resultantes de quebras nos pontos de ramificação representados pelos íons a m/z 85 (M - 15) e 57 (cation t-butil):

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