AULADEMASSAS 2015

Prévia do material em texto

*
ANÁLISE ORGÂNICA INSTRUMENTAL 
Profª Maria Letícia Murta Valle 
UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
ESCOLA DE QUÍMICA
Espectrometria de Massas
*
É uma técnica analítica muito potente utilizada para 
identificar compostos desconhecidos
quantificar compostos conhecidos
elucidar da estrutura química e as propriedades de 
 moléculas.
Limites de detecção
 10-12g, 10-15 moles para um composto de massa 
 1000 Daltons
*
A espectrometria de massas é utilizada para
Detectar e identificar esteroides em atletas 
Monitorar a respiração de pacientes durante uma cirurgia 
Determinar a composição de moléculas encontradas no espaço
Determinar adulterações em alimentos 
Localizar depósitos de petróleo analisando rochas precursoras
Monitorar processos de fermentação em indústrias 
Detectar dioxinas em peixes contaminados 
Determinar alteração em genes provenientes de contaminação ambiental 
Estabelecer a composição elementar em materiais semicondutores 
*
Espectrometria de Massas
*
O que é um espectrômetro de massas?
O espectrômetro de massas é um instrumento que mede as massas de moléculas individuais que foram convertidas em íons, ie, moléculas que foram eletricamente carregadas. 
As massas são medidas em Daltron (Da)  1 Da = massa de 1 átomo do isótopo de carbono 12 (12C) ou seja, o 12C tem 12 unidades de massa. Hoje existe uma sugestão de chamar esta unidade de Thompson (Th). 
Não mede a massa molecular diretamente mas a relação massa/carga dos íons formados pelas moléculas . 
A carga de um íon é um número inteiro z da unidade de carga fundamental e a relação massa/carga = m/z representa Daltons por unidade de carga. Em muitos casos z=1 e m/z é numericamente igual à massa molecular do íon em Da. 
*
Componentes de um espectrômetro de massas
Bombas de vácuo
Analise de Dados
Sistema de dados
Detetor de íons
Analisa
dor
 Íons em fase gasosa
 Saída dos íons
Deteção dos íons
 Fonte
Entrada
Introdução de amostra
Saída de dados
Espectro de massas
*
Operação do equipamento
Íons sempre analisados em forma gasosa.
A amostra pode ser sólida, líquida ou gasosa. O sistema de vácuo (10-7 a 10-6 torr) faz com que ela permaneça na fase gasosa
Os íons são analisados no detector
Os sinais elétricos em função de m/z são coletados e a informação é convertida no espectro de massas
*
Características de um espectro de massas
Espectro de massas do dióxido de carbono CO2. 
A massa molecular do íon é vista em m/z 44.
*
Como a amostra é introduzida no equipamento?
Sólidos
 são introduzidos na região de vácuo, vaporizados ou sublimados geralmente por aquecimento
Gases e líquidos
são introduzidos por sistemas especiais usando controladores de fluxo
A amostra volatilizada é ionizada e analisada
Análise de misturas 
Acoplamento com cromatografia
*
 Formação do íon molecular e fragmentos iônicos 
Técnica de impacto de elétrons
*
Formação do íon molecular e fragmentos iônicos
Os íons são gerados pelo bombardeamento das moléculas gasosas com um feixe de elétrons com alta energia.
Os íons gerados podem ser positivos ou negativos
É coletado um tipo de cada vez ou só os positivos (mais comuns) ou só os negativos
Moléculas não ionizadas e fragmentos neutros são descartados	 
*
Funcionamento do analisador
I - Detetor com duplo foco
II - Filtro de massa quadrupolo
III - Espectrômetro “íon trap”
IV - Espectrômetro FT- ICR 
 (Fourier transform ion cyclotron resonance) 
V - Espectrometro por Tempo de Vôo (TOF-MS) (time-of-flight)
Tipos de analisadores
*
combinação de um sistema elétrico e um magnético
O raio depende da 
massa do ion. 
Quanto maior o m/z
maior o raio
I - Detetor com duplo foco
Alta resolução: separa íons de mesma massa e estrutura química diferente
O campo magnético altera a trajetória dos íons formados
*
II - Filtro de massa quadrupolo
Mais barato mais fácil para ser acoplado em outros instrumentos
Íons com uma m/z determinada são coletados no detector e os outros escapam entre os rolos
*
III - Espectrômetro “íon trap”
Ele armazena os íons e os deixa passar de forma seletiva, para o detector, variando a carga elétrica
A ionização e a saída da massa ocorrem no espaço circundado pelo anel e o cap de eletrodos. 
Os íons podem ser gerados fora e depois introduzidos no analisador 
*
IV - Espectrômetro FT- ICR 
O sinal é amplificado. Aparelho de alta precisão e gera espectros de alta resolução. 
Os íons são aprisionados dentro de uma célula cúbica sob um potencial fraco e um campo magnético constante.
O movimento de um orbital covalente ("cyclotron") é induzido pela aplicação de um pulso de rádio freqüência entre os pratos energizados. Os íons em órbita geram um sinal fraco nas placas de detecção. 
A freqüência do sinal é inversamente relacionada ao valor de m/z. A intensidade é proporcional ao número de íons com massa m/z. 
*
V - Espectrometro por Tempo de Vôo (TOF-MS) (time-of-flight)
Os íons são formados de uma amostra por um feixe pulsante
A ordem de chegada no detector é função dos valores de m/z
Os íons formados são acelerados de forma que íons com a mesma carga têm igual energia cinética. Menor massa, menor velocidade
Alta sensibilidade
*
Funcionamento do detetor de íons 
Em todos os espectrômetros, exceto no FT-ICR, os íons são detectados e convertidos em análise de massa pela energia de colisão na superfície do detecor das diferentes partículas, usando sensores de luz e de carga.
No FT-ICR a oscilação do sinal induzido pelo movimento dos íons é sentido nas placas de deteção. 
O computador na espectrometria de massas
Os sistemas de base de dados do computador incluem: software para quantificação, interpretação do espectro e identificação dos compostos usando as bibliotecas de espectros “on line”
*
Uso do EM na análise de estruturas
 Espectro de massa da acetona CH3COCH3
principais fragmentos 
iônicos 
íon molecular de m/z 58 
*
Análise do espectro
O espectro mostra os fragmento do íon molecular (m/z 58) e os íons mais intensos. 
Os fragmentos são usados para deduzir as estruturas. Algumas vezes os símbolos [ou +·] e [ou -·] são usados para indicar radicais iônicos
A perda 15 Da do íon molecular da acetona dá um íon a m/z 43  presença de um grupo metila (CH3) na molécula original.
 A perda de 28 Da para dar um íon a m/z 15  presença de CO 
Analisando estas perdas e prevendo estruturas para os possíveis íons, a molécula original do composto pode ser deduzida. 
Algumas perdas comuns são 18 Da para a água H2O; 17 Da para a amônia NH3; e 77 Da para o grupo fenila C6H5.
*
Uso da EM na determinação das massas exatas
Exceto o carbono, cuja massa foi definida como sendo exatamente 12,00000 Da, todos os elementos têm uma única massa, diferente do número inteiro
É possível determinar a massa de isótopos e diferenciar moléculas com pesos moleculares muito próximos
*
EXEMPLO
Distinção entre o CO (m/z = 27,995) e N2 (m/z = 28,006)
O espectro obtido em um instrumento de FT-ICR de alta resolução
*
Outras técnicas usadas para produzir íons
São técnicas de ionização usando baixa energia (“soft”) baseadas em ionização química (CI) e dessorção  preservam o íon molecular
Ionização eletrônica (EI) da efedrina a 70 eV  nenhum íon molecular (m/z 165)
*
Ionização Química de Efedrina
Ionização química da efedrina. A molécula protonada tem m/z=166
Ionização eletrônica
*
Ionização Química x Ionização Eletrônica
Na ionização química (IQ) a amostra é exposta a uma grande quantidade de íons. Exemplo: metano ionizado (CH5+) em presença de uma molécula M produz o íon positivo [M+H]+.No caso da ionização eletrônica (IE) não aparece o íon molecular m/z 165
Na IQ aparecem os fragmentos da molécula protonada m/z 166 e o fragmento decorrente da perda de um mol de água (18 Daltons) com intensidades significativas
Em ambos os espectros pode ser visto o íon a m/z 58 
 As etapas de fragmentação de moléculas protonadas [M+H]+ não são, necessariamente, as mesmas do íon molecular M+
*
Íons negativos e Ionização por dessorção
Íons negativos
 São produzidos sob condições de ionização química por transferência de um próton [M-H]- ou adição de um elétron [M-]. Estes íons, em geral os únicos gerados, podem ser usados para detectar espécies com grande sensibilidade.
Ionização por dessorção
 Termo usado para descrever um processo no qual uma molécula é evaporada e ionizada simultâneamente. 
*
Acoplamento com técnicas de separação
Cromatografia gasosa (CG)
Cromatografia líquida (CL)
Eletroforese capilar
Cromatografia com flúido supercrítico
O espectrômetro de massas pode ser acoplado a
*
Acoplamento e dois estágios de EM
No EM/EM o 1º analisador seleciona íons com um valor de fragmentação m/z e o 2º produz um espectro dos fragmentos
*
Outras análises
Relação entre isótopos
 são usados detetores múltiplos e cada detetor focaliza especicamente um isótopo. As moléculas orgânicas complexas são reduzidas a CO2, H2O e N2 
Espectrometria de massas elementar
 usada mais para compostos inorgânicos 
*
Espectro de massas por impacto de elétrons da benzamida
O espectro de massas é um gráfico contendo as massas dos fragmentos carregados
 positivamente, incluindo o íon molecular, nas suas concentrações relativas
Pico base é o pico mais abundante do espectro, tem arbitrariamente a intensidade de 
 100%. 
*
Fragmentos iônicos produzidos após o impacto de elétrons na benzamida
*
Cloro: peso atômico a partir do MS
*
Massa exata dos isótopos
*
Intensidade dos picos de isótopos
 (% relativo ao íon molecular) para combinações de bromo e cloro
*
Espectro do tetracloreto de carbono
*
Picos na região do íon molecular para compostos contendo cloro e bromo
*
Rearranjo de McLafferty
A molécula deve possuir heteroátomos apropriadamente localizados (oxigênio p.ex.)
Um sistema  - usualmente uma ligação dupla
Um átomo de hidrogênio em posição favorável -  em relação ao sistema C=O
Resultam em picos de intensidade intensa, úteis na 
 identificação da estruturas
São transições de baixa energia que aumentam a 
 estabilidade do produto
*
Rearranjo de McLafferty
A molécula deve possuir heteroátomos apropriadamente localizados (oxigênio p.ex.)
Um sistema  - usualmente uma ligação dupla
Um átomo de hidrogênio em posição favorável -  em relação ao sistema C=O
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*