ANÁLISEANÁLISE ORGÂNICA INSTRUMENTALORGÂNICA INSTRUMENTAL

Profª Maria Letícia Murta Valle

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE

JANEIROJANEIRO

ESCOLA DE QUÍMICAESCOLA DE QUÍMICA

Espectrometria de Massas

É uma técnica analítica muito potente utilizada para

identificar compostos desconhecidosquantificar compostos conhecidoselucidar 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 paraA espectrometria de massas é utilizada para

1.1. Detectar e identificar esteroides em atletas Detectar e identificar esteroides em atletas 2.2. Monitorar a respiração de pacientes durante uma Monitorar a respiração de pacientes durante uma

cirurgia cirurgia 3.3. Determinar a composição de moléculas encontradas Determinar a composição de moléculas encontradas

no espaçono espaço4.4. Determinar adulterações em alimentos Determinar adulterações em alimentos 5.5. Localizar depósitos de petróleo analisando rochas Localizar depósitos de petróleo analisando rochas

precursorasprecursoras6.6. Monitorar processos de fermentação em indústrias Monitorar processos de fermentação em indústrias 7.7. Detectar dioxinas em peixes contaminados Detectar dioxinas em peixes contaminados 8.8. Determinar alteração em genes provenientes de Determinar alteração em genes provenientes de

contaminação ambiental contaminação ambiental 9.9. Estabelecer a composição elementar em materiais Estabelecer a composição elementar em materiais

semicondutores semicondutores

Espectrometria de Massas

O que é um espectrômetro de massas?O que é um espectrômetro de massas?

1.1. O espectrômetro de massas é um instrumento que mede as O espectrômetro de massas é um instrumento que mede as massas de moléculas individuais que foram convertidas em massas de moléculas individuais que foram convertidas em íons, ie, moléculas que foram eletricamente carregadas. íons, ie, moléculas que foram eletricamente carregadas.

2.2. As massas são medidas em Daltron (Da) As massas são medidas em Daltron (Da) 1 Da = massa de 1 1 Da = massa de 1 átomo do isótopo de carbono 12 (átomo do isótopo de carbono 12 (1212C) ou seja, o C) ou seja, o 1212C tem 12 C tem 12 unidades de massa. Hoje existe uma sugestão de chamar unidades de massa. Hoje existe uma sugestão de chamar esta unidade de Thompson (Th). esta unidade de Thompson (Th).

3.3. Não mede a massa molecular diretamente mas a relação Não mede a massa molecular diretamente mas a relação massa/carga dos íons formados pelas moléculas . massa/carga dos íons formados pelas moléculas .

4.4. A carga de um íon é um número inteiro z da unidade de carga A carga de um íon é um número inteiro z da unidade de carga fundamental e a relação massa/carga = m/z representa fundamental e a relação massa/carga = m/z representa Daltons por unidade de carga. Em muitos casos z=1 e m/z é Daltons por unidade de carga. Em muitos casos z=1 e m/z é numericamente igual à massa molecular do íon em Da. numericamente igual à massa molecular do íon em Da.

Componentes de um espectrômetro de massas

Operação do equipamentoOperação do equipamento

1. Íons sempre analisados em forma gasosa.

2. 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

3. Os íons são analisados no detector

4. Os sinais elétricos em função de m/z são coletados e a informação é convertida no espectro de massas

Características de um espectro de Características de um espectro de massasmassas

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 Como a amostra é introduzida no equipamento?equipamento?

Sólidos são introduzidos na região de vácuo, vaporizados ou

sublimados geralmente por aquecimento

Gases e líquidossão 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 Formação do íon molecular e fragmentos iônicosfragmentos iônicos

Téc

nic

a d

e im

pac

to d

e el

étro

ns

Formação do íon molecular e Formação do íon molecular e fragmentos iônicosfragmentos iônicos

1.1. Os íons são gerados pelo bombardeamento Os íons são gerados pelo bombardeamento das moléculas gasosas com um feixe de das moléculas gasosas com um feixe de elétrons com alta energia.elétrons com alta energia.

2.2. Os íons gerados podem ser positivos ou Os íons gerados podem ser positivos ou negativosnegativos

3.3. É coletado um tipo de cada vez ou só os É coletado um tipo de cada vez ou só os positivos (mais comuns) ou só os negativospositivos (mais comuns) ou só os negativos

4.4. Moléculas não ionizadas e fragmentos neutros Moléculas não ionizadas e fragmentos neutros são descartadossão descartados

Funcionamento do analisadorFuncionamento do analisador

I - Detetor com duplo focoI - Detetor com duplo foco

II - Filtro de massa quadrupoloII - Filtro de massa quadrupolo

III - Espectrômetro “íon trap”III - Espectrômetro “íon trap”

IV - Espectrômetro FT- ICR IV - Espectrômetro FT- ICR

(Fourier transform ion cyclotron resonance)(Fourier transform ion cyclotron resonance) V - V - Espectrometro por Tempo de Vôo (TOF-MS)

(time-of-flight)

Tip

os d

e an

alis

ador

esT

ipos

de

anal

isad

ores

combinação de um sistema combinação de um sistema elétrico e um magnético e um magnético

O raio depende da massa do ion. Quanto maior o m/zmaior o raio

I - Detetor com duplo focoI - 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 quadrupoloII - Filtro de massa quadrupolo

Mais barato mais fácil para ser acoplado em outros instrumentos

Íons com uma m/z determinada são coletados no Íons com uma m/z determinada são coletados no detector e os outros escapam entre os rolosdetector e os outros escapam entre os rolos

III - Espectrômetro “íon trap”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- ICRIV - 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 - V - Espectrometro por Tempo de Vôo (TOF-MS) (time-of-flight)(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 íonsFuncionamento do detetor de íons

1.1. Em todos os espectrômetros, exceto no FT-ICR, os íons são Em todos os espectrômetros, exceto no FT-ICR, os íons são detectados e convertidos em análise de massa pela energia de detectados e convertidos em análise de massa pela energia de colisão na superfície do detecor das diferentes partículas, colisão na superfície do detecor das diferentes partículas, usando sensores de luz e de carga.usando sensores de luz e de carga.

2.2. No FT-ICR a oscilação do sinal induzido pelo movimento dos No FT-ICR a oscilação do sinal induzido pelo movimento dos íons é sentido nas placas de deteção. 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 estruturasUso do EM na análise de estruturas

Espectro de massa da acetona CH3COCH3

principais fragmentos iônicos

íon molecular de m/z 58

Análise do espectroAnálise do espectro

1. O espectro mostra os fragmento do íon molecular (m/z 58) e os íons mais intensos.

2. Os fragmentos são usados para deduzir as estruturas. Algumas vezes os símbolos [ou +·] e [ou -·] são usados para indicar radicais iônicos

3. 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.

4. A perda de 28 Da para dar um íon a m/z 15 presença de CO

5. Analisando estas perdas e prevendo estruturas para os possíveis íons, a molécula original do composto pode ser deduzida.

6. 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 exatasUso da EM na determinação das massas exatas

Exceto o carbono, cuja massa foi definida como sendo Exceto o carbono, cuja massa foi definida como sendo exatamente 12,00000 Da, todos os elementos têm uma única exatamente 12,00000 Da, todos os elementos têm uma única massa, diferente do número inteiromassa, diferente do número inteiro

É possível determinar a massa de isótopos e diferenciar moléculas com pesos moleculares muito próximos

C3H8O 60.05754

C2H8N2 60.06884

C2H4O2 60.02112

CH4N2O 60.03242

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 íonsOutras técnicas usadas para produzir íons

São técnicas de ionização usando baixa energia (“soft”) baseadas em São técnicas de ionização usando baixa energia (“soft”) baseadas em ionização química (CI) e dessorção ionização química (CI) e dessorção preservam o íon molecular preservam o íon molecular

Ionização eletrônica (EI) da efedrina a 70 eV nenhum íon molecular (m/z 165)

Ionização Química de EfedrinaIonização Química de Efedrina

Ionização química da efedrina. A molécula protonada tem m/z=166

Ionização eletrônica

Ionização Química x Ionização EletrônicaIonização Química x Ionização Eletrônica

Na ionização química (IQ) a amostra é exposta a uma grande Na ionização química (IQ) a amostra é exposta a uma grande quantidade de íons. Exemplo: metano ionizado (CH5+) em presença quantidade de íons. Exemplo: metano ionizado (CH5+) em presença de uma molécula M produz o íon positivo [M+H]+.de uma molécula M produz o íon positivo [M+H]+.

No caso da ionização eletrônica (IE) não aparece o íon molecular m/z No caso da ionização eletrônica (IE) não aparece o íon molecular m/z 165165

Na IQ aparecem os fragmentos da molécula protonada m/z 166 e o 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 fragmento decorrente da perda de um mol de água (18 Daltons) com intensidades significativasintensidades significativas

Em ambos os espectros pode ser visto o íon a m/z 58 Em ambos os espectros pode ser visto o íon a m/z 58

As etapas de fragmentação de moléculas protonadas [M+H]+ não As etapas de fragmentação de moléculas protonadas [M+H]+ não são, necessariamente, as mesmas do íon molecular M+são, necessariamente, as mesmas do íon molecular M+

Íons negativos e Ionização por dessorçãoÍons negativos e Ionização por dessorção

Íons negativosÍons negativos São produzidos sob condições de ionização química por São produzidos sob condições de ionização química por

transferência de um próton [M-H]- ou adição de um transferência de um próton [M-H]- ou adição de um elétron [M-]. Estes íons, em geral os únicos gerados, elétron [M-]. Estes íons, em geral os únicos gerados, podem ser usados para detectar espécies com grande podem ser usados para detectar espécies com grande sensibilidade.sensibilidade.

Ionização por dessorçãoIonização por dessorção Termo usado para descrever um processo no qual uma Termo usado para descrever um processo no qual uma

molécula é evaporada e ionizada simultâneamente. molécula é evaporada e ionizada simultâneamente.

Acoplamento com técnicas de separaçãoAcoplamento com técnicas de separação

Cromatografia gasosa (CG)Cromatografia gasosa (CG) Cromatografia líquida (CL)Cromatografia líquida (CL) Eletroforese capilarEletroforese capilar Cromatografia com flúido Cromatografia com flúido

supercríticosupercrítico

O espectrômetro de massas pode ser acoplado aO espectrômetro de massas pode ser acoplado a

Acoplamento e dois estágios de EMAcoplamento 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 análisesOutras análises

Relação entre isótoposRelação entre isótopos

são usados detetores múltiplos e cada detetor são usados detetores múltiplos e cada detetor focaliza especicamente um isótopo. As focaliza especicamente um isótopo. As moléculas orgânicas complexas são reduzidas moléculas orgânicas complexas são reduzidas a COa CO22, H, H22O e NO e N22

Espectrometria de massas elementarEspectrometria de massas elementar

usada mais para compostos inorgânicos usada mais para compostos inorgânicos

Espectro de massas por impacto de Espectro de massas por impacto de elétrons da benzamidaelétrons da benzamida

O espectro de massas é um gráfico contendo as massas dos fragmentos carregados positivamente, incluindo o íon molecular, nas suas concentrações relativasPico base é o pico mais abundante do espectro, tem arbitrariamente a intensidade de 100%.

Fragmentos iônicos produzidos após o impacto Fragmentos iônicos produzidos após o impacto de elétrons na benzamidade elétrons na benzamida

Cloro: peso atômico a partir do MS

Massa exata dos isótoposMassa exata dos isótopos

Intensidade dos picos de isótoposIntensidade dos picos de isótopos (% relativo ao íon molecular) para (% relativo ao íon molecular) para

combinações de bromo e clorocombinações de bromo e cloro

Espectro do tetracloreto de carbonoEspectro do tetracloreto de carbono

Picos na região do íon molecular para compostos contendo cloro e bromo

Rearranjo de McLaffertyRearranjo de McLafferty

A molécula deve possuir heteroátomos A molécula deve possuir heteroátomos apropriadamente localizados (oxigênio p.ex.)apropriadamente localizados (oxigênio p.ex.)

Um sistema Um sistema - usualmente uma ligação dupla - usualmente uma ligação dupla Um átomo de hidrogênio em posição favorável - Um átomo de hidrogênio em posição favorável -

em relação ao sistema C=Oem relação ao sistema C=O

Resultam em picos de intensidade intensa, úteis na identificação da estruturasSão transições de baixa energia que aumentam a estabilidade do produto

Rearranjo de McLaffertyRearranjo de McLafferty

A molécula deve possuir heteroátomos A molécula deve possuir heteroátomos apropriadamente localizados (oxigênio p.ex.)apropriadamente localizados (oxigênio p.ex.)

Um sistema Um sistema - usualmente uma ligação dupla - usualmente uma ligação dupla Um átomo de hidrogênio em posição favorável - Um átomo de hidrogênio em posição favorável -

em relação ao sistema C=Oem relação ao sistema C=O