Análise EstruturalAnálise Estrutural

José Carlos MarquesDepartamento de QuímicaUniversidade da Madeira

ProgramaPrograma

? Espectroscopia? interacção luz /átomos-moléculas

? Espectroscopia UV-vis? transições electrónicas? determinação estrutural

? Espectroscopia IV? transições entre níveis de energia vibracional? interpretação de espectros

? Espectroscopia NMR? transições energéticas? interpretação de espectros

? Espectrometria de massa? revisão de conceitos e interpretação de espectros

? Aplicações

Interpretação de espectros MSInterpretação de espectros MS

? Os espectros MS reflectem a fragmentação do ião molecular e é característica da sua estrutura (cadeia carbonada) ao mesmo tempo que põem em evidência certos grupos funcionais

? A intensidade do ião molecular é maior para as substâncias não ramificadas e diminui com o grau de ramificação

? Numa série homóloga, a intensidade do ião molecular diminui com o peso molecular? excepção para os esteres de ácidos gordos

? Os pontos de ramificação favorecem a fragmentação.? Regra geral a cadeia mais longa é eliminada na forma de radical

? Estruturas cíclicas (sobretudo as aromáticas) e as ligações duplas estabilizam o ião molecular

? As ligações duplas favorecem a ruptura alílica? CH2 - C*H - CH2 - R

Interpretação de espectros MSInterpretação de espectros MS

? As moléculas cíclicas saturadas tendem para perder os grupos de substituição por ruptura da ligação ? e guardam a carga

? Nas moléculas cíclicas aromáticas substituídas por uma cadeira alquílica a ruptura em ? é favorecida

? As ligações C-C adjacentes a um hetero-átomo quebram-se com facilidade ficando a carga sobre o fragmento que contem o hetero-átomo

? As rupturas de ligações (com ou sem rearranjo estrutural) implicam com frequência a perda de pequenas moléculas neutras ? H2O, CO2, C2H4, NH3, H2S …

? Arranjo de McLafferty

? ON-Line? http://www.scimedia.com/chem-ed/ms

? http://ul.chemistry.uakron.edu/gcms/index.html

Introdução à espectrometria de massa

? Análise de estruturas moleculares por espectrometria de massa? MS como método espectroscópico / comparação com UV, IV, RMN

? MS é uma técnica destrutiva - ao retirar um e- não podemos recuperar a molécula

? A ionização da moléculas pode ser obtida por impacto electrónico (EI) com electrões de elevada energia (20 a 70 eV)? a energia da primeira ionização da maioria das moléculas é de 8 a 15 eV? 1 eV = 9,649 x 104 J mol-1

M + é conhecido como sendo o ião molecular? Todos os iões moleculares têm um número impar de electrões

? O excesso de energia cedida ao ião molecular pode levar à sua dissociação? se a energia vibracional é suficientemente elevada a amplitude das vibrações é

superior ao seu limite elástico? A fragmentação duma molécula dá origem ao seu espectro de massa

M M + + e -

M + A + + N

M + B + + N

.

. .

.

O espectro do metanol

? m/z 32 - pico molecular : CH3OH +? M/z 31 - perda de H : CH2OH + (Pico base por ser o mais intenso)? m/z 29 - perda de 3H : CHO +? m/z 15 CH3 +

? m/z 33 corresponde à abundância natural do 13C (1,1%)? a abundância natural de 2 H é de apenas 0,02%

? Os iões de dupla carga aparecem a metade da escala de m/z ? CH2OH2+ aparece a m/z de 15,5

8 10

35

10 15

70

15

100

80

10

0

20

40

60

80

100

120

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33

Série1

Regras para a fragmentação

? Requisitos para um ião molecular? deve ser o ião de massa mais elevada? deve ter um número impar de electrões? deve dar origem a iões de elevada massa molecular (perda de fragmentos

neutros)? o ião molecular é uma espécie radicalar

? A Regra do Azoto? Se um composto contem um número par de átomos de azoto, o seu ião

molecular tem uma massa par? H20 - 18 CH4 - 16 CH3OH - 32 C27H46O - 386? H2NNH2 - 32 NH3 - 17 C2H5NH2 - 45

? um composto contendo apenas C,H,O ou X deve ter uma massa molecular par? um composto com número impar de átomos de azoto terá massa molecular impar? um composto com um número par de átomos de azoto terá uma massa par

A regra pode ser aplicada aos fragmentos: um ião com um número impar de electrões terá uma massa par se contiver um número par de átomos de azoto

Fragmentação

? A fragmentação de um ião molecular é uma reacção unimolecular? a pressão na fonte de iões é mantida suficientemente baixa para que as

reacções (colisões) envolvendo o ião molecular sejam mínimas? Factores que influenciam a abundância de iões

? a estabilidade do ião depende nomeadamente da partilha dos electrões ou da possibilidade de ressonância

? Regra de Stevenson: o ião fragmento com menor energia de ionização tem maior probabilidade de se formar (também apresenta, em geral, maior estabilidade)

? preferência para a perda do maior radical alquilo? C2H5CH3CHC4H9+. dá origem preferencialmente a

? C2H5CH3CH+ > + CHCH3C4H9 > C2H5C+HC4H9 > C2H5C+CH3C4H9

FragmentaçãoFragmentação

Anéis e duplas ligações

? A soma dos anéis e duplas ligações pode ser calculada:

? Se o número for um inteiro, só pode vir de um ião com número impar de electrões

? Todos os iões moleculares têm um número impar de electrões, mas nem todos os iões com número impar de electrões são iões moleculares

? Exemplos? C3H9NO 3 - 9/2 + 1/2 +1 = 0 pode ser ião molecular? C5H5N 5 - 5/2 + 1/2 + 1 = 4 pode ser ião molecular? C7H5N2 7- 5/2 + 2/2 + 1 = 6,5 não pode ser ião molecular? C8H16Cl 8 - 17/2 + 1 = 0 não pode ser ião molecular

X - 1/2 Y + 1/2 Z + 1 em que: X = # C, SiY = # H, F, Cl, Br, IZ = # N, P

Massas e abundâncias isotópicas

? Cálculo da contribuições isotópicas? para a formula geral : C w H x O z N y

? Caso de Br2, Br3 e Cl2

H 1.00782506 2H 2.0140 (0.015%)C 12.0000000 13C 13.0034 (1.1%)N 14.00307407 15N 15.00001 (0.37%)O 15.994914075 17O (0.04%) 18O 17.9992 (0,20%)F 18.9984046Na 22.9897703Cl 34.9688530 37Cl 36.9659 (32.5%)Br 78.9183320 81Br 80.9163 (98.0%)

100 0 015 111 0 37 0 0371PP

x w y zM

M

? ? ? ? ?, , , ,

100 0 20 0 006 1 0 004 0 00022PP

z w w wy wxM

M

? ? ? ? ? ?, , ( ) , ,

51

100

4934

100 98

32

100

65

10,6

0

50

100

150

Abundâncias isotópicasAbundâncias isotópicas

O Espectrómetro de Massa

Os iões são desviados pelo campo magnético H. Apenas os iões cuja força centrífugaiguala a força centrípeta atravessam o campo.

mv2/r = Hzv ou: m/z = H2r2/2V em que: H - intensidade do campo magnéticoV - tensão aplicadav - velocidade dos iõesz - carga do iãom - massa do ião

O GC/MS

GC - responsável pela separação (e quantificação) dos componentes da misturaMS - responsável pela identificação (informação qualitativa) de cada componente (puro)

O GC/MS é um dos mais importantes equipamentos analíticos conhecidos, devido à sua capacidade de separar a mistura,de dar uma informação qualitativa e quantitativa e ainda devido à elevada sensibilidade alcançada. É ainda possível, emdeterminadas condições, programar reacções químicas (em fase gasosa) no seu interior.

MS - fonte de ionização / sector magnéticoMS - fonte de ionização / sector magnético

O sistema de vácuo

? O funcionamento de um espectrómetro de massa exige condições de vácuo elevada (10-5 a 10-7 torr)? o trajecto livre médio dos iões deve ser superior à distância entre a

fonte ionização e o detector? trajecto livre - distância percorrida pelos iões ou moléculas antes de colidir com

outro ião ou molécula.? trajectos livres médios elevados asseguram uma maior

reproductibilidade da fragmentação e maior sensibilidade? no espectrómetro de massa são usadas voltagens muito elevadas (8KV)

na aceleração dos iões ? um aumento da pressão leva ao aparecimento de inconvenientes descargas

eléctricas? Bombas

? turbomoléculares? difusão

A interface GC/Ms

? O objectivo da interface é remover a maior quantidade possível de gás de arrasto

? Idealmente deve:? transferir quantitativamente todos os compostos para o MS

? evitando a descriminação? reduzir o fluxo total à entrada do MS (vácuo necessário).

? Faz-se notar que a simples divisão (split) do fluxo não é adequada dado que leva a uma perda significativa dos produtos em análise, sem eliminar o excesso de gás de arrasto

? Tipos:? Separador molécular

? vácuo entre a saída da coluna e entrada no MS? Separador de membrana

? a selectividade dependente da polaridade e PM / baixa sensibilidade ? Open split

? excesso de fluxo (1ml/min) é eliminado / falta é compensado com He? Entrada directa

? aplicável no caso de colunas capilares

GCMS - interface open splitGCMS - interface open split

LCMS - Interface electrosprayLCMS - Interface electrospray

MS - fonte de ionisaçãoMS - fonte de ionisação

Espectrometria de Massa - regras de fragmentação

? A intensidade de M+ é maior para substâncias não ramificadas e diminui com o grau de ramificação

? Numa série homóloga, a intensidade de M+ diminui com o PM (excepto para os ésteres de ácidos gordos)

? Os pontos de ramificação são pontos de rotura preferenciais? Duplas ligações e estruturas cíclicas estabilizam o M+

? Ciclos saturados têm tendência a perder as cadeias de substituição

? As ligações C--C adjacentes a um heteroátomo rompem-se com facilidade, ficando a carga sobre o fragmento que contém o heteroátomo

? As roturas de ligação dão frequentemente origem à eliminação de pequenas moléculas neutras: H2O, CO2, C2H4, NH3, H2S

Principais fragmentos neutrosPrincipais fragmentos neutros14 CH215 CH316 O 17 OH 18 H2O, NH4 19 F 26 CN, C2H2 27 C2H3 28 C2H4, CO 29 C2H5,

CHO 30 CH2NH2 31 CH2OH 32 O2 33 SH 34 H2S

35 Cl36 HCl 39 C3H3 41 C3H5 42 C3H6, C2H2O 43 C3H7,

CH3C=O 44 CH2CHO 45 CH3CHOH,

CH2CH2OH, CH2OCH2

46 NO247 CH2SH 48 CH3S + H 49 CH2Cl 51 CHF2, C3H3

53 C4H5 54 CH2CH2CN 55 C4H7 56 C4H8 57 C4H9, C2H5C=O 58 CH3C(=O)CH2 +

H, C2H5CHNH2 59 C3H6OH,

CH2OC2H5 60 CH2COOH 61 CH3COO 65 C5H5 66 C5H6 67 C5H7 68 CH2CH2CH2CN 69 C5H9, CF3

70 C5H10 71 C5H11,

C3H7C=O 76 C6H4 77 C6H5 78 C6H5 + H 79 C6H5 + 2H,

Br

Lista de fragmentos mais comuns

•15 •CH3•16 O, •NH2 •17 HO• •18 H2O •19 F• •20 HF •26 CHCH, •CHN •27 CH2=CH•, HCN •28 CH2=CH2, CO •29 CH3CH2•, •CHO •30 NH2CH2•, CH2O, NO, C2H6 •31 •OCH3, •CH2OH, CH2NH2 •32 CH3OH, S •33 HS•, (•CH3 and H2O) •34 H2S •35 Cl•

•36 HCl, 2 H2O •37 H2Cl•38 C3H2, C2N, F2 •39 C3H3, HC2N •40 CH3CCH •41 CH2=CHCH2• •42 CH2=CHCH3, CH2=C=O •43 C3H7, CH3C•=O •44 CH2=CHOH, CO2, N2O, CONH2 •45 CH3CHOH, CH3CH2O•, CO2H, CH3CH2NH2 •46 (H2O and CH2=CH2), CH3CH2OH •47 CH3S• •48 CH3SH •49 •CH2Cl •52 C4H4 •53 C4H5

•54 CH2=CH-CH-CH2 •55 CH2=CHCHCH3 •56 CH2=CHCH2CH3 •57 C4H9•, C2H5CO •60 C3H7OH •63 •CH2CH2Cl•71 C5H11• •73 CH3CH2OC(=O)• •74 C4H9OH •75 C6H3 •76 C6H4 •77 C6H5 •78 C6H6

Hidrocarbonetos saturados

? M+ geralmente observável? grupo de picos CnH2n+1 (+ intensos), CnH2n e CnH2n-1, separados por 14

uma? os alcanos ramificados apresentam um M+ menos estável e uma

fragmentação preferencial junto à ramificação - CnH2n + intenso que CnH2n+1

? alcanos alicíclicos: M+ muito estável e fragmentação junto ao ciclo (? )

Série CnH+2n+1: 15, 29, 43, 57, 71, 85

Alcenos

? M+ observável, com fragmentação semelhante aos alcanos mas com predominância dos iões CnH2n e CnH2n-1

? Nos alcenos aromáticos M+ é importante (normalmente é o pico base) e apresentam um pico m/z 91 muito forte (ciclo substituído)

? os cicloalcanos apresentam uma fragmentação semelhante

Série CnH+2n: 28, 42, 56, 70, 84, 98 e

Série CnH+2n-1: 27, 41, 55, 69, 83, 97

Álcoois

? M+ é fraco e praticamente inexistente para os alcoóis terciários? fragmentação em C--C adjacente ao OH? alcoóis 1ºs: R-CH2-O+H (31, 45, 59, 73, 87)? se 31 é maior que 45, 59, … deve tratar-se de um álcool primário? para C >6 o espectro é análogo ao alceno correspondente? perda de água (M-18) - principalmente nos álcoois primários? fenóis: M+ importante e eliminação de CO (28)

Série CnH2n+1O+: 31, 45, 59, 73, 87

Ácidos carboxílicos

? M+ fraco (nos alifáticos) mas visível. Intenso nos aromáticos? Massa 60 é típica (rearranjo de McLafferty)? M-18 (H2O) e M-45 (COOH). No caso de cadeias longas, apresenta a

fragmentação típica dos alcanos (separação de 14 uma)? Aromáticos: M-17, M-18 e M-45

Série CnH2n-1O+: 45, 59, 73, 87

Cetonas

? M+ importante e fragmentação em C--C adjacente a C=O (com a carga sobre o fragmento que contem o O)

? Pico base resultante da perda do R maior da cadeia

Série CnH2n-1O+: 29, 43, 57, 71, 85

Aminas

? M+ fraco (salvo se existir um anel aromático), impar se N é impar e praticamente inexistente se R for longo

? O pico base resulta da cisão de C--C adjacente a N (m/z=30 nas aminas 1ªs)

? Se for ramificada em ? perde a cadeia (R) mais longa

Série CnH2n+2N+: 3, 44, 58, 72, 86