Spektrometria mas związków organicznych z chromatograficznym wprowadzeniem próbki

Transkrypt

1 Spektrometria mas związków organicznych z chromatograficznym wprowadzeniem próbki Sprzężenie chromatografu gazowego ze spektrometrem mas jest potężnym narzędziem w oznaczaniu lotnych i półlotnych związków organicznych w wielu matrycach środowiskowych jak powietrze, woda, gleba, w materiałach zawierających polimery naturalne lub syntetyczne, a także w tkankach organizmów żywych Kolumna chromatograficzna pełni rolę separatora składników analizowanej mieszaniny, zaś detektor mas pozwala na uzyskanie zależności prądu jonowego od masy jonów Fragmentacja danego związku organicznego dostarcza charakterystycznego dla niego widma Widma uzyskane przez różnych badaczy na całym świecie, gromadzi się w tzw bibliotekach widm Porównanie zarejestrowanych widm z widmami bibliotecznymi znacznie pomaga w identyfikacji składników mieszaniny Spektrometr mas Kolumna chromatograficzna dostarcza rozdzielone związki do źródła jonów spektrometru zgodnie z ich czasami retencji Do identyfikacji i oznaczania węglowodorów aromatycznych wykorzystano spektrometr mas HP 5973 Podstawowe zespoły urządzenia to: układ pomp próżniowych (vacuum pumps) źródło jonów (ion source) soczewki skupiających wiązkę jonów (focusing lens) analizator kwadrupolowy (analyzer) detektor właściwy (detector) Rysunek 2 przedstawia schemat spektrometru mas 1

2 Rys 2 Schemat działania spektrometru mas Układ wytwarzania wysokiej próżni Zadaniem spektrometru jest zarejestrowanie sygnału pochodzącego od bardzo małej ilości jonów, gdyż tylko mała część próbki ulega jonizacji (jedna cząsteczka na tysiąc) Najczęściej stosowana jonizacja elektronami wymaga wysokiej próżni tak, aby powstały jon molekularny nie miał możliwości przekazywania energii innym cząsteczkom i jonom podczas zderzeń Aby średnia droga swobodna jonu była porównywalna z długością analizatora, konieczne jest wytworzenie próżni w skrzyni analizatora rzędu 10-5 Torr (mm Hg) Jest to realizowane w układzie dwóch pomp: wstępnej (rough pump) połaczonej z pompą turbomolekularną (turbo pump) Pompa wstępna posiada tradycyjny układ rotorowy, w którym tłok umocowany niecentrycznie na wale napędowym naprzemian zasysa gaz z układu próżni i tłoczy go na zewnątrz dzięki ciśnieniowym zaworom sprężynowym Wirnik pompy turbo (rys 3) zaopatrzony jest w zagięte ostrza, ułożone promieniście względem rdzenia wirnika Obracające się z szybkością obrotów na minutę ostrza zagarniają cząsteczki powodując ich ruch ku dołowi, gdzie zostają zassane przez pompę wstępną Ciśnienie wytwarzane przez pompę turbo wynosi, przy maksymalnym dopuszczalnym przepływie gazu nośnego 4 cm 3 /min, około Torr, a czas osiągnięcia takiej próżni zajmuje do kilkunastu minut Pompa turbomolekularna jest w stanie przetoczyć w ciągu sekundy 250 litrów gazu Jest to 2

3 konieczne gdyż przy przepływie 1 cm 3 /min po rozprężeniu do ciśnienia rzędu 10-5 Torr otrzymałoby się kilkaset tysięcy cm 3 gazu pod tym ciśnieniem Rys 3 Pompa turbomolekularna Źródło jonów Pary rozdzielonych chromatograficznie związków (sample molecules in vapor state) dostają się, przez termostatowane połączenie chromatografu ze spektrometrem do źródła jonów (rys 4) Wiązka elektronów (electron beam) emitowanych z włókien wolframowych (filament) jonizuje mały ułamek cząsteczek wpływających do komory jonizacyjnej Najczęściej stosuje się wiązkę elektronów o energii 70 ev, co odpowiada przeciętnej energii wiązań w cząsteczkach organicznych (długość fali 0,14 nm), pozwalając uzyskać maksymalna ilość jonów Przyspieszacz jonów (repeller rys 2), spolaryzowany dodatnio, kieruje jony przez otwór w płytce przejściowej (drawout plate, acceleration plate) do układu soczewek (płytek) skupiających (focusing lens, plates) Cząsteczki obojętne są zasysane przez pompy próżniowe na zewnątrz spektrometru 3

4 Rys 4 Komora jonizacyjna Układ soczewek skupiających Soczewki skupiające (rys 5) mają za zadanie uformować skupioną wiązkę wchodzącą do analizatora kwadrupolowego Zarówno do soczewek skupiających jak i wprowadzających jony do filtra mas (entrance lens) stosuje się napięcie stałe Im większa wartość napięcia, tym większa czułość analizy związków niskocząsteczkowych Rys 5 Formowanie wiązki jonów wchodzących do kwadrupola 4

5 Analizator Jony wychodzące z układu soczewek osiągają kwadrupolowy filtr mas Filtr pokazany na rys 6, jest kształtką kwarcową pokrytą warstwą złota w celu zmniejszenia niejednorodności powierzchni, a co za z tym idzie, niejednorodności pola elektrycznego między prętami Elementy kształtki są połączone ze sobą w taki sposób, że podłużne segmenty położone obok siebie nie mają kontaktu elektrycznego, zaś położone naprzeciwlegle są ze sobą połączone Działanie kwadrupola najlepiej wyjaśnić przedstawiając filtr jako układ czterech prętów przewodzących prąd elektryczny Do układu prętów przyłożone jest napięcie stałe U oraz napięcie sinusoidalnie zmienne Vcosωt (jak na rys 6) gdzie ω oznacza częstość kątową (2πf) zmian napięcia mieszczącą się w zakresie fal radiowych Pręty spolaryzowane ujemnie (U-Vcosωt) są ustawione naprzeciw, podobnie jest z prętami spolaryzowanymi dodatnio (U-Vcosωt) Przyłożenie napięcia U powoduje że jon wprowadzony do wnętrza kwadrupola jest równomiernie przyciągany i odpychany (równomierny rozkład natężenia pola) W takim przypadku przez kwadrupol przelecieć mogą jony o dowolnej masie i ładunku Przyłożenie napięcia zerowego lub bardzo niskiego nie zrównoważyłoby siły grawitacji jony w kwadrupolu poruszałyby się torem parabolicznym Przyłożenie tylko napięcia przemiennego sinusoidalnie wprowadza jony w ruch drgający w płaszczyznach prostopadłych do siebie, wzdłuż osi kwadrupola Jednak tory jonów o niższej masie, niż odpowiadająca amplitudzie V wykraczają poza kwadrupol Złożenie napięcia stałego i przemiennego pozwala na uzyskiwanie stabilnych trajektorii lotu jonów o danej masie, tylko dla danej kombinacji U i V ω odgrywa drugorzędną rolę; jej wartość jest stała i zależna od konstrukcji kwadrupola Nazwa filtr mas pochodzi od funkcji urządzenia, gdyż dla zadanych wartości U i Vcosωt filtr przepuszcza tylko jony o odpowiedniej wartości masy do ładunku m/z Tor jonów przelatujących przez analizator może być opisany złożeniem sinusoid Przy zadanej częstości zmian napięcia jony o określonym stosunku m/e uzyskują warunki rezonansu to znaczy drgają w rytm zmian napięcia przykładanego na pręty analizatora Pozostałe jony są zbyt silnie przyciągane lub odpychane przez elektrody, a przyspieszenia spowodowane polem elektrycznym są zbyt duże lub zbyt małe 5

6 wobec bezwładności masy jonu Końcem ich wędrówki przez kwadrupol jest rozładowanie na ujemnie spolaryzowanych elementach spektrometru Rys 6 Kwadrupol Detektor właściwy - powielacz Po przejściu przez filtr mas jony uderzają w wewnętrzną powierzchnię powielacza elektronów w kształcie rożka (rys 7) Na rożku panuje wysokie napięcie (rzędu kilku tysięcy V) i jony zderzające się z powierzchnią powodują emisję elektronów Wiązka wyemitowanych elektronów uderza w inną część powielacza, a energia kinetyczna każdego z elektronów powoduje wybicie kilkunastu elektronów z płytki powielacza Napięcie powielacza ustala się w zależności od stężenia analitów, w granicach V Im niższe stężenie substancji oznaczanych tym niższe (zmierzające do V) powinno być napięcie na powielaczu Rys 7 Dynoda wzmacniająca prąd jonowy 6

7 Tryby pracy kwadrupolowego detektora mas Możliwe są dwa tryby pracy detektora mas: SCAN (Scanning) Rejestracja pojedynczego punktu chromatogramu to zapis całkowitego prądu jonów którym udało się przejść przez kwadrupol i dotrzeć do powielacza Zbieranie punktu na chromatografie wiąże się z dyskretną, równoczesną zmianą napięcia U i amplitudy V w bardzo krótkim przedziale czasu od kilku do kilkudziesięciu milisekund Kolejnym kombinacjom U i V (UV) 1, (UV) 2, (UV) n odpowiadają masy jonów stabilnych m 1, m 2, m n Każdemu punktowi chromatogramu przyporządkowane jest widmo złożone z jonów o masie m 1, m 2, m n Im mniejszy zakres monitorowanych mas, tym więcej jonów o danej masie zostanie zarejestrowanych SIM (Selected Ions Measurement) Aby zwiększyć czułość aparatu należy jak najbardziej zmniejszyć zakres mas jonów Ostatecznie zamiast stosować przemiatanie w zakresie kilkudziesięciu jednostek masy atomowej np od 40 do 100 (40, 41, 42, 98, 99, 100) można wybrać kilka mas o największych intensywnościach charakterystycznych dla oznaczanego związku chemicznego Przykładowo dla toluenu największą intensywność rejestruje się dla jonów: 91, 92, 65 Aby wiedzieć, które jony wybrać należy wpierw zarejestrować widma mas dla bardziej stężonej próbki substancji w trybie SCAN Widmo, a struktura cząsteczki Chromatogram uzyskany pomiarze SCAN oprócz charakterystyki całkowitego prądu jonowego w czasie (rys 8A), zawiera również, dla każdego punktu chromatogramu, informacje o składowych prądach pochodzących od różnych jonów czyli widmo mas (rys 8B) Widmo mas zawiera informację o ilości wybranych jonów (np 106 m/z) względem jonów pozostałych Dzięki temu uzyskuje się dodatkową informację jakościową (oprócz czasu retencji), gdyż dany związek organiczny rozpada się w źródle jonów na charakterystyczną liczbę charakterystycznych jonów Ażeby nie było zbyt łatwo, dodać należy, że na podstawie jednego widma czasami można zaproponować kilka różnych struktur związku, oraz że niektóre izomery mają praktycznie nierozróżnialne widma mas W takich przypadkach należy wspomagać 7

8 Abundance TIC: HSGR7_22D Tim e--> A Abundance Scan 5054 (6482 min): HSGR7_22D (-) m/z--> B Rys 8 Chromatogram z oznaczenia związków organicznych w wodzie A i widmo mas dla punktu chromatogramu o czasie retencji 6,48 min (szczyt piku) - B się inną techniką analityczną, która rozwieje wątpliwości spektroskopia NMR, IR, czy użyć wzorca lub skorzystać z indeksów retencji Jednak w przypadku próbek środowiskowych o znanym pochodzeniu i spodziewanym składzie spektrometria mas oddaje nieocenione usługi w analizie jakościowej i ilościowej Powstawanie widma Po separacji na kolumnie chromatograficznej cząsteczki danego związku zostają wprowadzone do źródła jonów gdzie panuje temperatura C W tej części spektrometru cząsteczki bombardowane są elektronami emitowanymi z włókien wolframowych Elektrony przelatujące w pobliżu wspomnianej cząsteczki powodują zakłócenie elektromagnetyczne i prowadzą do wybicia elektronu, przez co cząsteczka staje się kationorodnikiem zachowując masę cząsteczki Jon powstały poprzez utratę jednego elektronu nazywany jest jonem molekularnym Jeśli elektron został usunięty z zewnętrznej (walencyjnej) powłoki powstaje jon w podstawowym stanie elektronowym (o niższej energii) M Jony w podstawowym stanie 8

9 elektronowym mogą występować we wzbudzonym stanie oscylacyjnym Gdy cząsteczka traci elektron z głębszej powłoki jon w stanie elektronowym wzbudzonym (o wyższej energii) M jak na poniższym schemacie: n M energia a M a M p M b M b M q A c M c M r B widmo mas I tak w pierwszej kolejności z n cząsteczek o masie M, które uległy jonizacji, powstają jony molekularne w stanach nie wzbudzonych elektronowych, wzbudzonych oscylacyjnych i wzbudzonych elektronowych Następnie jony molekularne w stanach wzbudzonych elektronowo, dokonują przegrupowania elektronu na zewnętrzne powłoki, a nadmiar energii pozwala na przejście w stany wzbudzone oscylacyjne np M 1 i M n e Energia elektronowa zamieniona na energię drgań prowadzi do fragmentacji jonów molekularnych (nieparzystoelektronowych) na jony z parzystą liczbą elektronów walencyjnych np Α lub Β Na tym etapie kończy się fragmentacja Może się jednak zdarzyć, że jon molekularny odszczepi cząsteczkę obojętną niebędącą rodnikiem (np H 2 O), tworząc jon nieparzystoelektronowy mogący fragmentować dalej Także jony parzystolektronowe mogą odszczepiać takie cząsteczki To czy dany jon jest widoczny w widmie zależy od jego czasu życia Jony trwałe nie fragmentują dalej, docierają do powielacza i zaznaczają swoją obecność w widmie Jony nietrwałe ulegają dość szybko fragmentacji i nie są widoczne w widmie Jony o pośrednim czasie życia, tzw jony o pośredniej trwałości (metastabilne), dają widoczny sygnał przy filtracji kwadrupolowej, ale nie są obecne w widmie po filtracji sektorowej (magneto-elktrycznej) 2 9

10 Reakcje fragmentacji Fragmentacja węglowodorów Najłatwiejsze w ocenie jakościowej są widma węglowodorów alifatycznych i aromatycznych Cechą widm węglowodorów alifatycznych jest podobieństwo wizualne, bogata fragmentacja i niska intensywność jonu molekularnego Widmo n- dekanu zawiera jon molekularny o m/z = 142 związany z wybiciem jednego elektronu z czasteczki Jon ten dociera do powielacza i zostaje zarejestrowany sygnał Jon molekularny węglowodorów alifatycznych jest nietrwały (parzysta masa i nieparzysta liczba elektronów) i ulega rozpadowi na jony o nieparzystej masie i nieparzystej liczbie elektronów, odszczepiając rodnik 3, - 2, - -, itp Powstają wtedy odpowiednio kationy o m/z 127, 113, 99 itp Największą intensywność (największą trwałość) osiągają jony powstające w wyniku odszczepienia rodnika Generalnie trwalszy jest rodnik mający dłuższy łańcuch Reakcja fragmentacji polegająca na rozbiciu wiązania z wytworzeniem rodnika i kationu nazywa się rozszczepieniem σ Abundance 9000 #30005: Decane (CAS) $$ n-decane $$ Isodecane $$ n-c10h22 $ m/z--> Rys 9 Widmo n-dekanu Wiązania C-H są w jonach molekularnych słabsze od wiązań C-C Zdarza się zatem, głównie w węglowodorach rozgałęzionych, że w wyniku przegrupowania wodoru (oznaczenie rh), zostaje odszczepiona cząsteczka węglowodoru niebędąca rodnikiem, np eten lub propen Wtedy powstaje jon o parzystej masie np 56 czy 70: 10

11 Ponieważ jon o parzystej masie jest karbokationem, może fragmentować dalej ulegając tzw rozszczepieniu α czyli przeniesieniem elektronu z utworzeniem rodnika i kationu W widmach obecne są też jony związane z obecnością izotopu C 13, mające m/z wyższe o 1 od jonów zawierających wyłącznie izotop C 12 Często jony fragmentacyjne odszczepiają H 2 tworząc jon stabilny o parzystej masie, zawierający wiązanie podwójne Fragmentacja węglowodorów rozgałęzionych występuje najczęściej w pobliżu rozgałęzień: Jon węglowodorowy o m/z 57 łatwo odszczepia metan tworząc jon propenium (41), który przechodzi w trwalszy jon cyklopropenium (39) pozbywając się wodoru: 3 H 3 C C H 3 C - 4 C H H 2 HC Jon molekularny utworzony z węglowodoru cyklicznego jest trwalszy w porównaniu z alkanami, a po rozpadzie fragmentuje jak alkan Główne jony fragmentaryczne mają wartości m/e zgodne z formułą C n H 2n1-2r gdzie r liczba pierścieni, tworząc jony o masach np 27, 41, 55, 71, 85 itp Po rozerwaniu pierścienia często odszczepia się etylen lub propylen, dając intensywny jon o parzystej m/z: Węglowodory pojedynczo nienasycone fragmentują z zachowaniem układu allilowego w łańcuchu jonu; ich widma zawierają jony o m/z: 41, 55, 69, 83 itp; równolegle, w mniejszym stopniu, występuje też fragmentacja typowa dla alkanów: 11

12 H 3 C 15 H 3 C -ejonizacja H 3 C H 3 C H 3 C H 3 C H 3 C H 2 C HC Abundance 9500 #5956: 2-Heptene, (E)- (CAS) $$ trans-2-heptene $$ (E)-2-H m/z--> Rys 10 Widmo 2-heptenu Przegrupowanie H i rozszczepienie indukowane miejscem rodnikowym prowadzi do odszczepienia alkenu i powstania jonu o parzystej masie (tu 56 m/z): HC H 2 C 3 H H 2 C 3 H 2 C Podwójne wiązanie w alkenach może migrować, przez co izomery mogą być nierozróżnialne Widma węglowodorów aromatycznych składają się z niewielkiej ilości dość intensywnych pików Najintensywniejsze sygnały pochodzą od jonów najtrwalszych Trwałe są jony molekularne w przypadku propylobenzenu 120 m/z W widmach arenów (związki aromatyczno - alifatyczne) monoaromatycznych najwięcej jest jonów związanych ze stabilizacją struktury kationu metylenobenzenowego o m/z = 91 Cechą charakterystyczną fragmentacji arenów i benzenu jest odszczepianie acetylenu i tworzenie jonów metastabilnych odpowiednio przy 65 i 52 m/z H 2 C 3 12

13 Abundance 9500 #14927: Benzene, propyl- (CAS) $$ n-propylbenzene $$ Isocum m/z--> Rys 11 Widmo n-propylobenzenu Często obecne są w widmach jony związane z migracją wodoru w monoalkilobenzenach, jak np 77 (także 78 i 79) także odszczepiające acetylen: HC HC 71 H 2 C HC H 2 C W widmie widoczne są piki jonów pochodzące z fragmentacji łańcucha alifatycznego np 105 a także 91 m/z Wprowadzenie do łańcucha węglowodorowego podstawników (grup funkcyjnych) nieco wzbogaca możliwości fragmentacji Równocześnie z powyżej przedstawionymi reakcjami fragmentacji zachodzą reakcje związane z obecnymi w łańcuchu grupami Podstawniki dzieli się na: nienasycone zawierające wiązanie wielokrotne np O O O O C C C C HO H H 2 N C H 3 O i nasycone posiadające wyłącznie wiązania pojedyncze np H 2 C OH H 2 C NH 2 H 2 C Cl Fragmentacja związków organicznych Bardzo użyteczna teoria pozwalającą przewidzieć fragmentacje zakłada, że ładunek powstały w wyniku wybicia elektronu ładunek dodatni skupiony jest w szczególnym 13

14 miejscu cząsteczki jak np rozgałęzienie, heteroatom, czy atom węgla związany z heteroatomem Oprócz wyżej wymienionych reakcji σ i rh, wyróżnić należy rozsczepienia typu α i rozsczepienia typu i Rozszczepienie α spowodowane jest przeniesieniem elektronu, zaś i przeniesieniem pary elektronowej Przeniesienie elektronu oznacza się strzałką z pojedynczym grotem oraz, a przeniesienie pary i Pomijając rozszczepienie rh, Związki zawierające podstawnik nasycony Y fragmentować mogą dwojako: albo odszczepić Y, albo grupę związaną z węglem, przy którym Y występuje Dodać należy, że Y lub może być kationem lub rodnikiem, w zależności od charakteru Y R 2 C R 3 lub Y R 2 C Y Y= Cl, Br, OH, NH 2, SH R 3 R 2 C Y lub R 3 Fragmentacja związków z grupą nienasyconą jest prostsza ładunek zostaje zachowany na heteroatomie Y: R C O R C O X i X X = R, H, OH, NH 2, OR W poniższym opisie reakcji fragmentacji zostaną uwzględnione jedynie niektóre grupy funkcyjne, występujące w związkach organicznych złożonych z pierwiastków C, H, N, O i Cl Przykłady rozszczepień α i i rozszczepienie α do miejsca nasyconego polega na przeniesieniu elektronu rodnikowego (inicjacja) i elektronu z sąsiedniego wiązania przy węglu α: 14

15 H 3 C OH 3 H 3 C HC OH rozszczepienie α do miejsca nienasyconego przebiega podobnie: H 3 C C O 3 3 H 3 C C O rozszczepienie i do miejsca nasyconego jest inicjowane przez przeniesienie pary elektronów z sąsiedniego wiązania na heteroatom: H 3 C O - 3 H 3 C 3 O - 3 rozszczepienie i do miejsca nienasyconego jest inicjowane przez przeniesienie pary elektronów z sąsiedniego wiązania na atom węgla związany z heteroatomem: 3 H 3 C C C O 3 3 H 3 C C Przegrupowanie McLaffarty ego (6-cio centrowe) 3 3 C O W cząsteczkach o dłuższych łańcuchach zawierających heteroatom może dojść do przegrupowania atomu H do miejsca nasyconego, czego przykładem jest charakterystyczna dla alkoholi eliminacja H 2 O: 3 C H 2 H OH R 2 C H 2 OH 2 HC R 2 -H 2 O H 2 C HC R 2 Dla związków karbonylowych z kolei charakterystyczne jest przegrupowanie wodoru do miejsca nienasyconego, reprezentowanego przez O=C: 15

16 Y H R O 2 R OH 2 HC C C 2 Y Y OH C R 2 HC Y R 2 OH HC Y OH C HC R 2 Reakcje fragmentacji poszczególnych grup związków Kwasy karboksylowe Przegrupowanie McLaferty ego z odszczepieniem H 2 O Odejście rodnika OH Przegrupowanie H do C=O, odszczepienie cząsteczki obojętnej z utworzeniem jonu -C(OH) 2 Przegrupowanie H i odszczepienie cząsteczki nienasyconej =C(OH) 2 Ketony Odszczepienie rodnika alkilowego z jednej lub z drugiej strony C=O Dalsze odejście CO Aldehydy Widoczny pik o masie M -1 związany z odszczepieniem rodnika wodorowego Odszczepienie rodnika przy grupie C=O W obu przypadkach odejście obojętnej cząsteczki CO Odszczepienie rodnika O Przegrupowanie H na O z utworzeniem jonu z wiązaniem nienasyconym =C(OH)H Estry Odszczepienie rodnika alkilowego przy O nasyconym (R-O-) Odszczepienie rodnika R-O Odejście rodnika przy grupie C=O z utworzeniem jonu R-O-C=O Dalsze odejście obojętnej cząsteczki CO 16

17 mogą być także rodnikami Chlorowcozwiązki Związki zawierające Cl i Br mają wyraźny jon M 2 i bywają odszczepiane jako rodniki, dla Cl intensywność jonu M jest 3 razy większa od M 2 Odszczepienie HCl Odszczepienie rodnika Cl Alkohole Tworzenie jonów =OH w przypadku grup terminalnych Przegrupowanie H na O i odszczepienie H 2 O z utworzeniem jonu o parzystej masie (patrz Przegrupowanie McLaffarty ego) Dalsza fragmentacja tego jonu z odszczepieniem alkenu (jw) Etery ( -O-R 2 ) Odszczepienie rodnika alkilowego z utworzeniem jonu -O= lub R 2 -O= Przegrupowanie H na O z odszczepieniem R-OH 17

18 Odszczepienie rodnika -O lub R 2 -O przegrupowanie (4-ro centrowe) H do miejsca nienasyconego z wytworzeniem jonu =OH H 3 C H O H 3 C 2 2 HO 31 Aminy Terminalne dają jony, analogicznie do rozszczepienia α rozszczepień alkoholach (patrz Przykłady rozszczepień α i i) dają wyraźny pik =NH 2 Aminy drugorzędowe - =NRH, po czym następuje przegrupowanie (4-centrowe) H na N z wytworzeniem alkenu i =NH 2 H 3 C 2 NH H 3 C 2 2 H 2 N H 30 Przebieg ćwiczenia: Wybór roztworu zawierającego nieznany związek Zarejestrowanie chromatografu i widma Rozwiązanie struktury związku w oparciu o wytyczne Sprawozdanie: Podanie 10-ciu sumarycznych reakcji fragmentacji wskazanego węglowodoru Opis 5-ciu reakcji fragmentacji wskazanego związku w oparciu o instrukcję do ćwiczeń 18

19 Ustalanie struktury: Zastosowanie analizatorów (filtrów) mas o wysokiej rozdzielczości, jak analizator czasu przelotu czy analizator z sekcjami magnetyczną i elektryczną, pozwala rejestrować masy jonów z dużą dokładnością np dla heksanu 86,1096 Tak dokładna masa znacznie ułatwia identyfikację Analizatory kwadupolowe podają masę jonu heksanu jako 86 m/z, zatem identyfikacja opiera się głównie na wzorze fragmentacji i czasie retencji w przypadku sprzężenia detektora z chromatografem Jak zatem postępować gdy mamy widmo związku zarejestrowane przy niskiej rozdzielczości, a chcemy wiedzieć co to za związek? Weźmy widmo: 1 Szukamy jonu molekularnego A i A1 typujemy w tabeli jony podejrzane ( A 1) Zgodnie ze wzorem C N = obliczamy dla wybranego jonu liczbę węgli 1,1 A (61) 100 w łańcuchu: C N = = 3, 2 1,

20 3 Przyjmujemy błąd obliczeń ±10 % dla C N i określamy możliwe liczby węgli w cząsteczce dla 3,2 mamy 3,2 1,1=3,52 i 3,2 0,9=2,88, czyli może być 4 lub 3 atomy węgla 4 Oceniamy cząsteczkę pod względem obecności azotu według reguły: Masa parzysta parzysta lub zerowa liczba N Masa nieparzysta nieparzysta liczba N Wybrana masa 74 oznacza brak N lub dwa N 5 Sprawdzamy czy w masie A zmieści się C N = 3 węgli: 3 12=36 6 Dla pierwszej liczby węgli odejmujemy od masy cząsteczki masę samych atomów węgla: 74-36=38 7 Typujemy atom (atomy brakujące) i układamy wzory sumaryczne tak, aby tylko zgadzała się masa cząsteczkowa: hipoteza I: dwa N to 28 i zostaje 10 na H - C 3 N 2 H 10 hipoteza II: zero N, ale dwa O oraz 6 H - C 3 O 2 H 6 8 Obliczamy sumę liczb pierścieni i wiązań nienasyconych N RDB ze wzoru: N RDB = L C 0,5 L H 0,5L N 1 indeksy oznaczają liczby atomów C węgla (lub Si), H - wodoru (lub F, Cl, Br i I), N azotu (lub P) Jeśli N RDB jest ujemna nie ma wiązań podwójnych i zbyt dużo w cząsteczce atomów A, zero oznacza że nie ma wiązań podwójnych, a liczba dodatnia podje ilość wiązań podwójnych hipoteza I: N RDB = 3 0,5 10 0,5 2 1 = 0 hipoteza II: N RDB = 3 0,5 6 0,5 0 1 = 1 9 Próbujemy ułożyć możliwe wzory strukturalne (ester, tiamina, alkohol nienasycony, kwas, itp) 10 Wzory weryfikujemy w oparciu o widmo, w tym przypadku najlepiej trafiony jest octan metylu: 11 Jeśli by się nie udało dla 3 atomów węgla należałoby rozważyć strukturę z czterema atomami i powtórzyć czynności Literatura E de Hoffmann, J Charette, V Stroobant Spektrometria mas, WNT, Warszawa 1998 M McMaster, Ch McMaster, GC/MS, A Practical User s Guide, Wiley-V, New York, 1998 RAW Johnstone, M E Rose, Spektrometria mas w chemii organicznej, PWN, Warszawa 2001, A S Płaziak, Spektrometria masowa związków organicznych, UAM, Poznań 1997, R M Silverstein, F X Webster, D J Kremle, Spektroskopowe metody identyfikacji związków organicznych, PWN, Warszawa