Hmotnostní spektrometrie

Transkript

1 Hmotnostní spektrometrie Vznik a detekce iontů EI spektra, interpretace Příprava předmětu byla podpořena projektem OPPA č. CZ.2.17/3.1.00/33253

2

3 Charakter hmotnostního spektra Způsob detekce (pokud jde o spektrometr) tj. elektronový násobič, fotonásobič, Faradayova klec,...) neovlivní charakter MS Užitý analyzátor (magnetický sektor, kvadrupól, ITD, TOF) neovlivní charakter MS ( obvykle, podstatně) Způsob ionizace (typ vzniklého iontu M +., MH +, aj.) a množství dodané energie ( tvrdost ionizace ) - EI, CI, FAB, MALDI, elektrosprej,... zásadně OVLIVNÍ MS!!!

4 Vliv ionizace na MS Tvrdost ionizace přebytek vnitřní energie vedoucí k fragmentaci ionizované molekuly. Nejtvrdší ionizační techniky způsobí intenzivní fragmentaci, měkké ionizační techniky často poskytnou pouze molekulární (nebo odpovídající) ion. Měkké techniky (např. CI) informace o molekulové hmotnosti Tvrdé techniky (EI) informace o struktuře molekuly

5 CI měkká ionizační technika V iontovém zdroji reakční plyn (100kPa) ionizován elektrony (EI) Užíván :vodík, methan, voda, methanol, isobutan, amoniak R + e - = R e - ionizace reakčního plynu R + + R = [R+H] + + [R-H] ionmolekulární reakce [R+H] + + M = [M+H] + + R protonace molekuly (kation [M+H] + - pravý ion, menší excitační energie než u EI)

6 Vliv způsobu ionizace M = 191

7 Ionizační potenciály ev - ionizační potenciál atomů a anorganických molekul ev - ionizační potenciál organických molekul

8

9

10 Elektronová ionizace dvouatomové molekuly AB + e - kde energie elektronů je < 2 ev...excitace molekuly nevznikají ionty: AB + e vznik negativních iontů: 2 ev...rezonanční záchyt: [AB] 2-10 ev...disociační elektornový záchyt: [A:] + B

11 Elektronová ionizace dvouatomové molekuly AB + e - vznik pozitivních iontů : oblast nižších energií: ionizace AB + e - = [AB] e oblast vyšších energií: disociační ionizace AB + e - = A + [B] e ev dvojitá ionizace AB + e - = [AB] e > 35eV disociační energie vazby, vznik iontového páru AB + e - = [A:] + [B] + + e Při vysoké ionizační energii e - (70eV) je vznik záporných iontů málo pravděpodobný.

12 IP ionisation potential AP appearance potential

13 EI vliv ionizační energie

14 Francův Condonův princip Biatomická molekula: rychlost ionizujících elnů (při energii ev) m/s průměr molekuly... Å (10-1 nm) doba kontaktu e - s obalem molekuly s energie předaná molekule ev molekula přejde do elektronově vzbuzeného stavu, doba přechodu s perioda vibrací jader s, - dlouhá proti pohybům e - rovnovážná vzdálenost jader se během elektronové ionizace nezmění, nezmění se během přechodu do vzbuzeného elektronového stavu

15 Vzbuzený elektronový stav ve vzbuzeném elektronovém stavu je možný jiný tvar potenciálové křivky i jiná poloha jader jsou preferovány takové přechody, které na vibračních hladinách spojují místa s největší pravděpodobností výskytu jader (maximální hodnota /ψ 2 / )

16 Francův Condonův princip

17

18

19 Disociace a ionizace Disociační energie iontů je menší než disociační energie molekul potenciálová křivka má mělčí minimum. Energie ionizace i disociace je srovnatelná disociace je pravděpodobná

20 Polyatomické molekuly Pravděpodobnost srážky ionizujícího elektronu je pro všechny atomy molekuly srovnatelná, může tedy být při dostatečné energii ionizujících elektronů odtržen libovolný elektron z elektronového obalu. Pravděpodobnost ionizace je při dostatečné energii ionizujících elektronů pro každý atom úměrná počtu elektronů v jeho obalu. Při nízké ionizační energii je odtržen jen nejslaběji vázaný elektron např. nevazebný elektronový pár heteroatomu, elektron násobné vazby ap.

21 Teorie lokalizovaného náboje Vzniklá díra nezůstane lokalizována v místě vzniku, může se posunovat po celé molekule. Doba posunu o C-C vazbu je asi 10 6 s. Náboj díra se lokalizuje na místech s nejnižším ionizačním potenciálem lapač díry (volný elnový pár heteroatomu, eln π vazby, terciární a kvarterní uhlík aj.). Lokalizace náboje pak určuje způsob fragmentace. V případě několika možných míst lokalizace náboje nastává více způsobů fragmentace Každý fragmentový ion pak může podléhat další následné fragmentaci Vzniká několik fragmentačních cest, což vytváří komplikované fragmentační schéma složité hmotnostní spektrum.

22 Ionizační potenciál Při EI se odstraní molekulární elektron s nejnižším IP: IP π vazby (C=C) nižší než IP σ vazby (C-C) IP konjugovaných π vazeb nižší než nekonjukované C=C IP volných elnových párů heteroatomu nižší něžπvazeb tedy IP volných elektronových párů heteroatomu je nejnižší

23 Ionizace Snadnost ionizace: Volný elektronový pár (X,O,N,S) > C=C >> C-C > C-H Stabilita iontu roste se schopností delokalizace náboje: Alkoholy < větvené uhlovodíky < étery < estery < aminy < ketony < cyklické sloučeniny < aromatické sloučeniny < aromáty s kondenzovanými jádry

24 Fragmentace molekuly Reakce v iontovém zdroji při EI jsou monomolekulární (vysoké vakuum - střední volná dráha > délka trubice MS ) Možnosti štěpení molekulárního ionradikálu M + : ABC [ABC] + a) přímé štěpení [A] + + BC b) přesmyk A + [BC] + [BC] + [B] + + C [AB] + +C [AB] + A + [B] + [AC] + + B

25 Fragmentace molekuly Homolytické štěpení přitahování 1 elektronu, prosté štěpení vazby (značeno ½ šipkou) Heterolytické štěpení přitahování celého elektronového páru (značeno celou šipkou)

26 Typy fragmentace 1. Iniciace ztrátou elektronu σ vazby (oslabení vazby tj. + ): alkany: R+ CR 3 R + [CR 3 ] + molekula s heteroatomem: R+ YR R + [YR] + Přednostní štěpení v místě větvení, stabilita vznikajících iontů v pořadí terciární > sekundární > primární

27 Typy fragmentace 2. Iniciace radikálovým centrem α štěpení velmi časté! Snaha nepárového elektronu vytvořit pár. Schopnost radikálových center iniciovat reakce je shodná se schopností být donorem elektronů: N > S,O, π >Cl>Br Typické pro karbonylové sloučeniny, allylové štěpení a benzylové štěpení, alkoholy, aminy

28 α štěpení iniciace radikálovým centrem, příklady

29 Typy fragmentace 3. Iniciace nábojovým centrem induktivní efekt Přitahování elektronového páru kladným nábojem (méněčasté proti α štěpení). Spojeno s přesunem náboje. Tendence k tvorbě R + z RY klesá v řadě X>O,S>N,C +

30 Paralelní cesty fragmentace M +. m/z 71 m/z 88 m/z 31 m/z 57

31 M+.

32 Fragmentace molekuly 4. Retro Diels Alderův přesmyk (dvojitéαštěpení)

33 Stevensonovo (Stevensonovo Audierovo) pravidlo Náboj zůstává na téčásti molekuly, která má nižší ionizační potenciál, tj. větší resonanční stabilizaci

34 Fragmentace molekuly 5. McLaffertyho přesmyk (šestičlenný tranzitní stav) β štěpení

35 T.A.Lee: A Beginner's Guide To Mass Spectral Interpretation

36 J. H. Gross: Mass Spectrometry J.T.Watson, O.D.Sparkman: Introduction to Mass Specrtometry a) b)

37 F.W.McLafferty, F.Tureček: Interpretation of Mass Spectra a) Náboj na části s heteroatomem

38 F.W.McLafferty, F.Tureček: Interpretation of Mass Spectra b) Náboj na opačnéčásti molekuly

39 Fragmentace molekuly McLaffertyho přesmyk - alkeny

40 Ortho efekt např. kys. 2 Me benzoová obdobně kys. ftalová

41 ftaláty m/z 149

42 Fragmentace molekuly - M +. Je-li excitační energie větší než disociační energie některé vazby, následuje fragmentace. Molekulární ionradikál M lichý počet elektronů - (OE +. ) může odštěpit a)radikál (R. ) nebo b)neutrálníčástici (HX): a) M +. = F 1+ + R. F 1+...sudý počet elnů (páry) - (EE + ) EE + odštěpuje pouze neutrálníčástici (HX) při zachování EE + iontu, tj. spárovaných elnů. Roztržení elektronového páru za odštěpení radikálu (R. ) je energeticky nevýhodné, a proto (až na několik výjimek) nenastává! F 1+ = F 2+ + HX

43 Fragmentace molekuly - M +. b) M +. = F HX F lichý počet elnů (ionradikál) (OE +. ) OE +. může odštěpovat jak radikál R. (vznik EE + iontu), F 3 +. = F 4+ + R. tak neutrálníčástici HX (zachování OE +. ionradikálu) F +. 3 = F HX Pravé ionty (sudoelektronové EE + ) jsou obvykle stabilnější, proto jsou ve spektru častější.

44

45 Časová bilance pohybu částice v MS doba urychlení (setrvání v IQ) s let před magnetem s let od mag. k detektoru s životnost iontu > 10-4 s...doletí do detektoru...detekce M +. < 10-6 s... rozpad v místě vzniku...detekce F + životnost s : rozpad mezi urychlením a analyzátorem m 1 + = m m 3 : rychlost dle m 1 +, odchýlení dle m 2 + registrovány metastabilní ionty (rozfokusované): m * = m 22 / m 1 rozpad iontů v jiných částech přístroje ionty zcela nesfokusované, tvoří šum, nejsou registrovány

46 Izotopy V hmotnostní spektru je zaznamenávána samostatně každá dopadnuvšíčástice. Většina prvků je tvořena více izotopy (rozdílný počet neutronů v jádře). Jen několik prvků má pouze 1 druh atomů ( 31 P, 19 F, 127 I ). Proto pro většinu sloučenin molekula odpovídáčásticím s několika rozdílnými hmotnostmi, existuje tedy více molekulárních iontů tzv. molekulární klastr. U většiny běžných prvků v organických sloučeninách (C,H,N,O,...) je zastoupení vyšších izotopů malé, a proto se za molekulární ion považuje molekulární ion s nejnižší hmotností (M). (Jinak je tomu např. v přítomnosti Hg, Sn aj.)

47

48 Zastoupení izotopů Cl a Br 35 Cl : 37 Cl = 3 : 1 79 Br : 81 Br = 1 : 1 (a + b) n

49 Příspěvky izotopu 13 C Podle intenzity iontu M+1 lze určit počet atomů C v molekule.

50 MS nízké rozlišení (m/z 28) N 2 CO

51 MS vysoké rozlišení (m/z 28)

52 Překreslené MS v čárové formě m/z m/z

53 Normalizace spektra Nejintenzivnější pík base peak základní ion 100% Ostatní ionty přepočteny na % intenzity základního iontu

54 Všechna dále diskutovaná spektra a způsoby jejich interpretace jsou hmotnostní spektra s nízkým rozlišením vzniklá elektronovou ionizací (EI) s energií ionizujících elektronů 70eV

55 Interpretace MS 1. Určení molekulové hmotnosti 2. Určení (je-li HR) nebo odhad elementárního složení M Dusíkové pravidlo 4. Výpočet čísla nenasycenosti (je-li sumární vzorec) 5. Určení iontů alifatické a aromatické série 6. Odštěpování R a HX z molekuly charakteristické fragmenty 7. Charakteristické ionty nízkých hmotností 8. Souhrn informací návrh struktury 9. Porovnání se standardem nebo knihovním spektrem

56 1. Určení molekulové hmotnosti Ion nejvyšší hmotnosti ve spektru může, ale nemusí být molekulární M + je vždy lichoelektronový ionradikál Z molekuly se odštěpují rozumné fragmenty R nebo HX jako jsou radikály m/z 15, 29, 43 (alkyl), 19 (F), 35(Cl), 79(Br), 31(OCH 3 ) aj. nebo molekuly 18(H 2 O ), 28(CO případně C 2 H 4 ), 32(CH 3 OH ), 36(HCl) aj. Zakázané ztráty m/z 3 13, neodpovídají žádné reálné fragmentaci

57 2. Určení elementárního složení Pokud je k dispozici vysoké rozlišení, stanoví se přímo Užití dusíkového pravidla (odvoď počet vazeb, hmotnost) lichý počet N lichá molekula, převážně sudé fragmenty sudý počet N (0,2,...) sudá molekula, liché fragmenty Běžná molekula bez dusíku je vždy sudá! Určení M+2 prvků (Cl, Br, S, Si) Odhad počtu uhlíků (+/- 1) z poměru 13 C : 12 C ( M+1 )

58 3. Výpočet čísla nenasycenosti (R+DB) R+DB = počet kruhů a násobných vazeb U.N. = a b/2 + c/2 + 1 a...počet atomů uhlíku (4 vazných atomů) v molekule b...počet atomů vodíku a halogenů (1 vazné atomy) c...počet atomů dusíku počet dvojvazných atomů (O, S,...) se ve výpočtu neprojeví Pro molekulární ion (nebo jiný ion s lichým počtem elnů) je výsledek celočíselný. Pro sudoelektronové (pravé) ionty je výsledek zakončen ½.

59 4. Charakteristické ionty Alifatické uhlovodíky nasycené m/z 15, 29, 43, 57, 71, 85, 99, 113, 127, 141,... = 14 obalová křivka - maximum 43, 57 pro nerozvětvené přítomny též odpovídající nenasycené, ale v nižší intenzitě m/z 27, 41, 55,... u větvených uhlovodíků - vyšší intenzita iontu v místě větvení

60 Charakteristické ionty Alifatické uhlovodíky nenasycené a cyklické proti nasyceným vyšší ionty nenasycené série 27, 41, 55, 69,... a sudé ionty 28,42,56,70,... Allylové štěpení iniciované dvojnou vazbou (viz dále)

61 Charakteristické ionty (m/z) alkany...15,29,43,... alkeny, cykloalkany...27,41,55,...28,42,56,.. aromáty...38,39,50-52,63-65, , 91(tropylium), 105,... aminy...30,44,58,... nitrily...40,54,68,... alkoholy, étery...31,45,59... kyseliny, estery...45,59,73,.. thioly, sulfidy...33,47,61,..(+ion izotopický)

62 Charakteristické ionty McLaffertyho přesmyku: Hmotnosti (m/z) iontů vznikajících McLaffertyho přesmykem pro sloučeniny typu X-CO-C-C-CH-R : X = H CH 3 OH OCH 3 OC 2 H 5 NH 2 NHCH 3 Cl m/z

63 Alkan C 18 H 38, M + = 254 vyšší intenzita m/z v místě větvení (M bez alkylu)

64 Alken - intenzivnější nenasycené fragmenty 41,55,69,...

65 často obtížné rozlišení alkenu a cykloalkanu

66 aromatika stabilní molekula, málo fragmentů

67 aromatika stabilní molekula, málo fragmentů, dvakrát nabitá molekula

68 substituovaný benzen tropyliový ion m/z 91

69 tropyliový ion m/z 91

70 tropyliový ion m/z 91

71 odštěpení C 2 H 4, F se obvykle neodštěpuje, odštěpení především při více F

72 Charakteristický isotopový klastr 1Cl Charakteristický isotopový klastr 2Cl odštěpení Cl resp. HCl

73 Charakteristický isotopový klastr 3Cl odštěpení Cl resp. HCl

74 Charakteristický isotopový klastr 1 Br Charakteristický isotopový klastr 2Br odštěpení Br resp. HBr

75 Charakteristický isotopový klastr 3Br odštěpení Br resp. HBr

76 u řetězce od 4 C eliminace vody Charakteristický ion m/z 31 (α štěpení) Charakteristický ion m/z 45 (α štěpení)

77 Charakteristický ion m/z 31 (α štěpení)!! U řetězce od 4 C eliminace vody, výsledné spektrum připomíná olefin.

78 α štěpení (náboj na kyslíku) Odštěpení většího alkylu je intenzivnější (59 x 73) Následná fragmentace = 31

79 ne ano u sloučenin s řetězcem alespoň CO-C-C-CH- McLaffertyho přesmyk (zde m/z 58)

80 McLafferty m/z 58 McLafferty m/z 72 α štěpení - m/z 71 i 57

81 α štěpení m/z 45 McLafferty m/z 60 charakteristický + ( CH 2 ) 2 COOH... m/z 73 je rovněž charakteristický

82 m/z 60 a 73 viz předchozí obr. konkurenční cesty fragmentace: 1)McLafferty: m/z 60 a přímé štěpení (σ): m/z 73 2) štěpení podle olefinu: m/z 41,55,69,...