UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE INSTITUTO DE QUÍMICA PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICA DISCIPLINA: INORGÂNICA AVANÇADA II ESPECTROMETRIA DE MASSAS Prof. Fabio da Silva Miranda e-mail: miranda@vm.uff.br Sala GQI 308, Ramal 2170
Espectrometria de massas A espectrometria de massas não é uma forma de espectroscopia, pois não envolve a interação da luz com a matéria, no entanto é uma ferramenta muito importante na identificação de compostos desconhecidos. O princípio básico da espectrometria de massas (MS) é gerar íons de compostos inorgânicos ou orgânicos pelo método mais apropriado, separar esses íons pela sua razão massa/carga (m/z) e detectar qualitativamente e quantitativamente a abundância de seus respectivos m/z. 2
Espectrometria de massas O analito pode ser ionizado termicamente, campo elétrico ou por impacto de elétrons, íons ou fótons com alta energia. Os íons podem ser átomos ionizados, clusters, moléculas e seus fragmentos e associações. A separação dos íons é efeito de campos elétricos ou magnéticos aplicados estaticamente ou dinamicamente. 3
Os principais domínios da espectrometria de massas 4
Princípios básicos da Espectrometria de Massas A espectrometria de massas requer que a molécula de interesse esteja carregada, permitindo que os íons sejam separado pela razão massa/carga. Existem vários métodos para separar íons carregados, um desses métodos é baseado na deflexão de uma partícula por um campo magnético aplicado. Se um íon de massa, m, e carga, z, é acelerado por uma voltagem fixa, V, então cada molécula irá adquirir uma velocidade, v, e a energia cinética será dada por: zv = 1 2 mv2 5
Princípios básicos da Espectrometria de Massas Quando esses íons são submetidos a um campo magnético, B, as suas trajetórias se torna curva com raio, r, obedecendo a seguinte equação: Bzv = mv2 r A combinação das duas equações resulta em uma expressão que relaciona o campo magnético aplicado com a razão massa/carga: m z = B2 r 2 2V Ao se variar o campo magnético é possível selecionar quais íons realizam uma curvatura que permita atingir o detector. O espectro produzido é portanto, um gráfico do número de íons detectados versus a razão massa/carga. 6
Espectrômetro de massas Burrows, Holman, Parsons, Pilling, Price, Chemistry 3, Oxford, 2009
Espectrômetro de massas Componentes básicos de um espectrômetro de massas 8
Métodos de ionização Impacto de elétrons (EI) Um dos métodos mais comuns de ionização é feito por impacto de elétrons (EI), onde um feixe de elétrons acelerados (normalmente utiliza-se uma lâmpada de filamento de tungstênio aquecida) bombardeia a molécula causando a ionização. As moléculas ionizadas são então aceleradas dentro da parte de detecção do espectrômetro. M + e M +. + 2e Idealmente as moléculas irão apenas sofrer uma ionização, mas é possível que ionizações múltiplas ocorram: M + e M n+. + n + 1 e 9
Espectroscopia de massas (ionização e métodos de detecção) Seção magnética de um espectrômetro de massas. Os fragmentos moleculares são defletidos de acordo com a razão massa/carga permitindo uma separação no detector. 10
Métodos de ionização Bombardeamento com átomos rápidos (FAB) Em algumas situações ao aquecer a amostra e bombardear com elétrons resulta em na quebra da molécula em pequenos fragmentos ao invés de apenas ionizar a molécula. Isto é muito comum em moléculas que contém ligações relativamente fracas, como em compostos organometálicos. Nesses casos é preferível utilizar a técnica de bombardeamento com átomos rápidos, FAB (fast atom bombardment). Neste método o composto de interesse é dissolvido em uma matriz nãovolátil como glicerol e bombardeada com átomo de argônio ou xenônio ionizados. 11
Métodos de ionização Ionização química Nesse caso moléculas de gases de baixo peso molecular colidem com íons, resultando na geração de íons gasosos de baixa energia cinética (AH + ). Que são usados para ionizar outras moléculas neutras. Gases como metano e amônia são comumente utilizados e formam as espécies CH + 5 e NH 4+. AH + + M A + MH + Os picos de massa observados sobre essas condições correspondem ao íon-molecular + H, ou seja m/z = [M+1] 12
Métodos de ionização elétronspray (ES Essa é a técnica que se tornou a escolha da maioria dos laboratórios de espectrometria de massas. A solução de uma amostra é submetida a um processo de formação de spray através de um capilar com um potencial de milhares de volts. Isto produz um aeorosol com gotículas carregadas da solução. A região onde as gotículas se encontram tem pressão atmosférica, porém está separada do alto-vácuo da câmara do espectrômetro por um pequeno orifício. Devido a diferença de pressão as gotas são lançadas para dentro e as gotículas se tornam cada vez menores. O íons resultantes são acelerados em direção ao detector. 13
Espectrometria de massas ESI 14
Espectrometria de massas ESI quadrupolo 15
Espectrometria de massas - ESI 1) Injeção 2) Capilar carregado gerador de spray 3) orifício interno 4) Prato coletor 5) Quadrupolo 6) Segundo analisador (TOF) 7) detector 16
Espectroscopia de massas - TOF Espectrômetro de massas com TOF (time-of-flight). Os fragmentos de massas são acelerados com velocidades diferentes pela diferença de potencial e chegam com diferentes tempos ao detector. 17
Espectro de massas Um espectro de massas típico mostrando o número íons de uma determinada razão massa/carga (m/z). O pico em 88.0995 é o íon molecular formado pela perda de um elétron original da molécula. Os demais picos são provenientes da fragmentação do íon molecular. 18
Interpretação do espectro de massas - Medidas de massas com alta resolução Como diferenciar CO e N 2 por espectrometria de massas? Ambos tem massa molecular 28 amu baseando-se nas massas dos elementos: C = 12; N = 14 e O = 16; dessa maneira não é possível distinguir uma molécula da outra. No entanto, se for utilizado a massa dos elementos temos que as massas moleculares relativas são 27,9994 para o CO e 28,01348 para o N 2. Dessa maneira essas duas moléculas podem ser distinguidas em um espectrômetro de massas de alta resolução. 19
Interpretação do espectro de massas Padrões isotópicos 20
Interpretação do espectro de massas Padrões isotópicos Espectro de massas de uma amostra que contém mercúrio mostrando a composição isotópica dos átomos do fragmento. 21
Interpretação do espectro de massas Padrões isotópicos Espectro de massas do brometo de butila. A presença de bromo é indicada pela picos com razão 1:1 separados por unidade de massa. Isto surge pela proporção 1:1 de isótopos: 79 Br e 81 Br na amostra. 22
Interpretação do espectro de massas Padrões isotópicos mais complexos Espectro de massas do diclorobenzeno. A razão 3:1 de 35 Cl: 37 Cl é responsável pelo padrão de distribuição isotópica. 23
Interpretação do espectro de massas Padrões isotópicos mais complexos Padrão isotópico do íon Ru 3+. As marcações em vermelho indicam os valores previstos estaticamente. 24
Interpretação do espectro de massas Padrões de fragmentação A estrutura do Ru 3 (CO) 12 possui 3 átomos de rutênio em um triângulo com 4 ligantes CO ligados a cada rutênio. O espectros mostra o padrão isotópico para o Ru 3 + repetido-se com as perdas da molécula de CO. 25
Interpretação do espectro de massas Padrões de fragmentação Expansão do espectro de massas do Ru 3 (CO) 12 entre m/z 155 e 180 mostrando uma sequência de íons triplamente carregados. Espaçados dentro de uma padrão regular. 26
SiF +, SiF 3 + e SiF(C 6 F 5 ) + 27 Interpretação do espectro de massas Rearranjos É muito comum no espectro de massa de compostos organometálicos e moléculas orgânicas encontrar picos que não podem ser atribuídos a fragmentos do compostos sob investigação. Tais espécies podem ser atribuídas a reações que ocorrem dentro do espectrômetro de massas. Existem várias situações em que os rearranjos podem ocorrer. Complexos metálicos contendo ligantes orgânicos halogenados frequentemente realizam rearranjos resultando na formação de ligações M-Cl. Exemplo: O espectro de massa do Si(C 6 F 5 ) 4 na condição de impacto de elétrons mostra entre outros picos os sinais referentes a:
Padrão de fragmentação como impressão digital para identificação molecular Cromatrograma gasoso de uma amostra de urina de cavalo suspeita de conter uma substância ilegal. O espectro de massas da fração com tempo de retenção 7,73 min revela a presença do estimulante ilegal Niketamida. 28
Software para previsão de padrão isotópico 29
Software para previsão de padrão isotópico 30
Resumo MS essencialmente mede de íons moleculares ou fragmentos moleculares; A fórmula molecular pode ser obtida frequentemente pelo conhecimento da massa do íon molecular; Padrões isotópicos são úteis para a interpretação espectral; Fragmentação pode ser utilizada para determinar a estrutura molecular, no entanto a principal aplicação é uso como impressão digital molecular para autenticação de amostras; Espectrometria de massas é uma das técnicas analíticas mais sensíveis, capaz de realizar determinações no nível de traços. 31
Possíveis problemas e limitações 32
Exercício 1 Atribua na medida do possível os picos no espectro de massas abaixo referente ao composto [Fe(acac) 3 ], onde acac = CH 3 COCHCOCH 3- : 33
Exercício 2 Identifique baseado no espectro de massas o produto volátil da reação de tetracloreto de estanho com trietilalumínio. 34
Exercício 3 O espectro de massas do BCl 3 é mostrado abaixo. Explique o espectro assumindo a seguinte abundância isotópica: 10 B 20%; 11 B 80%; 35 Cl 75%; 37 Cl 25% 35
Exercício 4 Explique o padrão isotópico do espectro de massas do ClBr 3 que consiste de 5 picos separados por 2 m u. Espectro de massa do ClBr 3 36
Exercício 5 Parte do espectro de massas do composto [Mo(η 6 -C 6 H 6 )(CO) 2 PMe 3 ] é mostrada abaixo. Faça a atribuição dos principais picos. 37