S.I.C.S.I. VII ciclo ‘‘Laboratorio di Chimica Analitica’’ Argomento: La Spettrometria di Massa S.I.C.S.I. VII ciclo ‘‘Laboratorio di Chimica Analitica’’ Prof. S. Andini Argomento: La Spettrometria di Massa

2 La Spettrometria di Massa Classe di Riferimento: V anno I.T. Unità didattica: MS. Modulo didattico: Fondamenti di Spettroscopia molecolare. Numero di lezioni: 4 – 8 ore. Prerequisiti/Richiami: l’atomo, le particelle sub-atomiche,i raggi catodici (tubi di Crookes), l’ esperineza di J.J. Thomson, le tecniche UV, IR, Cromatografia. Obiettivi: capire i principi su cui si basa la tecnica MS. Supporti didattici: libro di testo, videopresentazioni. Verifiche: semplici esercitazioni scritte.

3 Che cos’è la SPETTROMETRIA di massa ? Tecnica analitica usata per identificare prodotti incogniti, per determinazioni quantitative di composti noti e per chiarire le proprietà strutturali e chimiche delle molecole. Tutto questo può essere effettuato con quantità di campione estremamente limitate : 100 mg10 mg1 mg 100  g10  g1  g 100 ng10 ng1ng UV IR NMR MS Differenze con gli altri metodi spettroscopici ( UV, IR, NMR): 1.MS non si basa sull’interazione tra radiazioni e materia. 2.MS è un metodo d’analisi distruttivo.

4 La MS si usa per : Rilevare e identificare l’uso di steroidi da parte di atleti. Rilevare e identificare l’uso di steroidi da parte di atleti. Controllare in tempo reale la respirazione di pazienti da parte degli anestesisti durante interventi chirurgici. Controllare in tempo reale la respirazione di pazienti da parte degli anestesisti durante interventi chirurgici. Determinazione della formula bruta e preliminari informazioni sulla struttura molecolare. Determinazione della formula bruta e preliminari informazioni sulla struttura molecolare. Effettuare analisi di medicina legale, come la conferma e la misura quantitativa di droghe e del loro abuso. Effettuare analisi di medicina legale, come la conferma e la misura quantitativa di droghe e del loro abuso. Determinare se il miele è stato adulterato con l’ uso di sciroppi zuccherini. Determinare se il miele è stato adulterato con l’ uso di sciroppi zuccherini. Localizzare depositi di petrolio misurando precursori nelle rocce. Localizzare depositi di petrolio misurando precursori nelle rocce. Controllare in continuo le fermentazioni per l’ industria biotecnologica. Controllare in continuo le fermentazioni per l’ industria biotecnologica. Determinare la presenza di diossine in pesce contaminato. Determinare la presenza di diossine in pesce contaminato. Determinare il danno genetico dovuto a cause ambientali. Determinare il danno genetico dovuto a cause ambientali. Stabilire l’età e l’origine di campioni geochimici e archeologici. Stabilire l’età e l’origine di campioni geochimici e archeologici.

5 Qual è l’ origine della MS ? La spettrometria di massa tra le sue origini, nella prima parte di questo secolo, dalle esperienze di J.J. Thomson, fisico, il quale osservò che la sua tecnica per lo studio degli elettroni poteva essere utile al chimico per analizzare sostanze, come descritto dal suo libro “Rays of Positive Electricity and Their Application to Chemical Analysis”. manipulation By E or B field accelerator detector

6 Spettrometria di massa  Serve a misurare la massa delle molecole.  Fornisce la massa molecolare, e anche la formula molecolare  La molecola deve essere ionizzata, così da misurare il rapporto massa/carica (m/z) dello ione risultante. Sorgente La sorgente serve a volatilizzare e ionizzare il campione Analizzatore L'analizzatore serve a misurare il rapporto m/z degli ioni prodotti Detector Il detector serve a rivelare gli ioni che arrivano dall'analizzatore

7 I componenti dello spettrometro Sorgente Analizzatore Detector Computer Spettro m/z

8 Analizzatori:  Analizzatore magnetico  Analizzatore a quadrupolo  Analizzatore a trappola ionica (ion-trap)  Analizzatore TOF (time of flight – tempo di volo) Sorgenti:  Sorgente EI (impatto elettronico)  Sorgente CI (ionizzazione chimica)  Sorgente FAB (fast atom bombarment)  Sorgente electrospray  Sorgente MALDI (Matrix Assisted Laser Desorption and Ionization). SorgenteAnalizzatore

9 Spettrometro di massa EI/magnetico  L’apparecchio è sotto alto vuoto, con una pressione intorno ai Tor.  Il campione deve essere allo stato di vapore.  Le molecole dal campione vaporizzato sono colpite da elettroni ad elevata energia (tipicamente 70 eV) emessi da un filamento incandescente.  La grandissima parte degli ioni ha carica unitaria e si tratta quindi di ioni-radicali M + e - = M e - sorgente accelleratore analizzatore

10 Come calcolare m/e Forza di Lorentz Per un certo valore della coppia B e V, esisterà un solo valore di massa m per cui il raggio di deflessione r coincide con il raggio di curvatur del tubo R. Di conseguenza gli ioni che hanno questo valore di massa escono dal tubo, gli altri no. Operando a potenziale V costante e facendo una scansione di campo B è possibile fare uscire dal tubo gli ioni a diversa massa in tempi diversi. Forza centriguga Energia cinetica Lavoro di estrazione

11 Lo spettro di massa Lo spettro di massa si presenta come un insieme di linee verticali (picchi) di intensità diversa, ciascuna corrispondente al valore di uno ione frammento. Il picco a valore di massa più elevato è quello relativo allo ione molecolare.

12 Nell’ interpretazione di uno spettro si segue una procedura abbastanza semplice : 1.Identificazione dello ione molecolare. 2.Identificazione di ioni caratteristici. 3.Identificazione di frammentazione caratteristica. 4.Ricostruzione della struttura della molecola sulla base della conoscenza di meccanismi di frammentazione standard. Analisi dello spettro

13 Picchi isotopici 1.1%  (numero di C)+ 0.36%  (numero di N) M+1 M+2 Cl (33% di M) Br (100% di M) S (4% di M)

14 Principali isotopi stabili degli elementi più comuni Elemento Isotopo più comune Abbondanza naturale degli altri isotopi (per 100 atomi di isotopo più comune) Carbonio 12 C 13 C 1,08 Idrogeno 1H1H1H1H 2H2H2H2H0,016 Azoto 14 N 15 N 0,38 Ossigeno 16 O 17 O 0,04 18 O 0,20 Fluoro 19 F Zolfo 32 S 33 S 0,78 34 S 4,40 Cloro 35 Cl 37 Cl 32,5 Bromo 79 Br 81 Br 98,0 Iodio 127 I

15 I picchi isotopici possono essere utili per stimare il numero di atomi di C presenti in una molecola, e per evidenziare la presenza di zolfo, bromo e cloro. Essi cioè ci aiutano a passare dal peso molecolare alla formula molecolare, che è il punto di partenza fondamentale per la determinazione di una struttura organica. Un altro aiuto in questo senso è la cosiddetta regola dell’azoto: se la massa di una molecola è pari, essa non contiene atomi di azoto, o ne contiene un numero pari; una massa dispari indica invece la presenza di un numero dispari di atomi di azoto. La regola nasce dal fatto che l’azoto è l’unico elemento comune che ha massa pari ma numero di elettroni di valenza dispari. Se il numero di atomi di azoto è già noto da altri esperimenti (per esempio se si sa che non c’è azoto) la regola dell’azoto è anche utile per distinguere lo ione molecolare (che deve rispettare la regola dell’azoto) da ioni frammento (che spesso non la rispettano). Dalla peso molecolare alla formula molecolare

16 Dallo studio dei picchi isotopici e conoscendo le percentuali di abbondanza naturale dei vari isotopi, è possibile risalire alla formula molecolare. Inoltre la presenza di alcuni atomi come cloro e bromo, che hanno composizione isotopiche peculiari ( 35 Cl e 37 Cl 3:1; 79 Br e 81 Br circa 1:1), può facilmente essere ipotizzata osservando le intensità dei picchi isotopici dello ione, che rispecchieranno quelle relative all’ abbondanza naturale dell’ atomo in questione.

17 Cl BrCl 3 Cl 2 Cl Cl 3 Br 2 Cl 3 Br 3 Cl 3 Br Br 2 Br 3

18 Esercizio: ricavare la formula molecolare del composto di cui si riporta lo spettro di massa tabulato m/e Intensità (in % del picco base) 2759,0 2815,0 2954,0 3923,0 4160,0 4212,0 4379, ,0 (base) 72 73,0 M ,3 740,2 m/e Intensità (% di M +.) 72 M ,0 73 M ,5 74 M ,3

19 Risoluzione : La formula molecolare può essere ricavata applicando le seguenti regole. M +. è pari o dispari ? Secondo la regola dell’ azoto, se esso è pari, il composto deve contenere un numero pari di atomi di azoto (lo zero è pari). L’ abbondanza relativa del picco M +. Indica il numero di atomi di C. Pertanto: N° C = (M +.+1)/1,1 L’ abbondanza relativa del picco M indica la presenza (o assenza) di S (4,4%), Cl (33%), Br(98%). La formula molecolare può essere stabilita determinando il numero di atomi di idrogeno ed aggiungendo, se necessario, l’ appropriato numero di ossigeni.

20 Pertanto, per il problema proposto : M +. è pari (72) ; il composto deve avere un numero peri di atomi di azoto. C= 4,5/1,1= 4. M = 0,2% da cui si deduce che S, Cl, Br sono assenti. Siccome M+. È pari, l’ azoto deve essere pari; poiché C 4 N 2 ha un peso molecolare (76) maggiore del composto in esame (72), se ne deduce che non è presente N. Per una molecola composta solamente di C e H: H=72-(4x12)=24, ma C 4 H 24 è impossibile. Per una molecola composta da C, H e un O: H=72-(4x12)-16= 8 e quindi il composto ha formula molecolare C 4 H 8 O.

21 Quesiti di Verifica Determinare la formula molecolare del seguente composto, il cui spettro di massa è riportato di seguito: Determinare la formula molecolare del seguente composto, il cui spettro di massa è riportato di seguito: m/e Intensità (in % del picco base) 86 () 86 (M +. )10,00 870,56 880,04  I picchi degli isotopi del cloro e del bromo sono particolarmente utili per riconoscere i composti contenenti questi elementi.  Perché ?  Quali intensità si possono prevedere per i picchi M +. e M di CH 3 Cl ? E di CH 3 Br ?

22  Determinare la formula molecolare di due composti i cui spettri di massa tabulati sono di seguito riportati : m/e Intensità (in % del pbase) 148,0 1538,6 1816,3 2839,7 2923,4 4246,6 4310, ,0 (base) 73 86,1 86,1 M ,2 750,2m/e Intensità (in % del pbase) M ,8 808 a m/z 114. Qual è la sua formula molecolare ? Quali saranno le intensità relative dei picchi 115/114 ?  Un alcano mostra un picco M +. a m/z 114. Qual è la sua formula molecolare ? Quali saranno le intensità relative dei picchi 115/114 ?  Un bromoalcano mostra due ioni molecolari, con picchi di uguale intensità, a m/z 136 e 138. Qual è la sua formula molecolare ?