SPETTROMETRIA di MASSA

sotto forma di una radiazione elettromagnetica, da parte della materia La tecniche spettroscopica che abbiamo preso in esame, la spettroscopia IR, e la prossima la risonanza magnetica, NMR, sono basate sullo studio dell’assorbimento di energia sotto forma di una radiazione elettromagnetica, da parte della materia

z = numero delle cariche (z = 1) La spettrometria di massa (MS) si fonda invece su principi completamente diversi, infatti in uno spettrometro di massa viene effettuata la ionizzazione delle molecole mediante la rimozione di un elettrone e successivamente gli ioni positivi così formati vengono separati in base al rapporto massa/carica elettrica (m/z) m = massa dello ione z = numero delle cariche (z = 1)

Ione Molecolare A B O N D Z m/z Impatto elettronico M+. A B O N D Z CH3+ m/z

Spettro di massa dell’anidride carbonica, CO2 Si noti lo ione molecolare a m/z 44

Schema a blocchi di uno spettrometro di massa

- Sistema di introduzione del campione [diretta; GC-MS - HPLC-MS] - La sorgente ionica [EI; CI; FI; FD; FAB; ecc.] - L’Analizzatore [magnetico; quadrupolare; ICR; ecc.] - Il rivelatore - Il sistema di vuoto [10-8/10-6 torr + parte elettronica]

Nella camera di ionizzazione c’è un sistema di griglie, una repulsiva (con un potenziale debolmente positivo) e due acceleratrici (tra le quali viene applicata una differenza di potenziale V molto alta) che imprimono agli ioni una velocità elevatissima 70 eV

L’energia cinetica acquistata dagli ioni è: mv2/2 che dipende dalla loro carica z e dal potenziale di griglia V (1) Dopo aver subito l’accelerazione, gli ioni entrano all’interno dell’analizzatore, costituito da un tubo ricurvo, tenuto sotto vuoto spinto (10-6 – 10-7 torr) e collocato tra i due poli di un elettromagnete che genera un campo magnetico di intensità B Quando gli ioni positivi entrano nell’analizzatore magnetico sono soggetti ad una forza centripeta, Bzv, che tende a far loro percorrere una traiettoria circolare di raggio r

Esplicitando v2 in (1) e (2) otteniamo: Poiché questa forza centripeta, Bzv, è bilanciata dalla forza centrifuga, mv2/r, sarà: (1) (2) Esplicitando v2 in (1) e (2) otteniamo: Equazione fondamentale della MS Che si semplifica

Perciò è possibile far percorrere agli ioni la traiettoria corretta (r) per giungere al rivelatore variando opportunamente o l’intensità del campo magnetico B oppure quella del potenziale acceleratore V (3) Indipendentemente da come viene effettuata la scansione, per ogni valore di B2/V verranno portati al rivelatore solo gli ioni che possiedono il rapporto m/z che soddisfa l’equazione (3) Gli ioni più leggeri andranno a spegnersi contro la parete interna dell’analizzatore e quelli più pesanti contro la parete esterna

M+.

Metodi di ionizzazione Il metodo più comune per ionizzare una molecola è quello indicato come impatto elettronico [EI: Electron Impact (hard)] che consiste nel bombardare una sostanza in fase gassosa con elettroni dotati di alta energia (ca. 70 eV) Quando molecole ed elettroni vengono a “contatto”, il processo più importante è l’espulsione di un elettrone La formazione di uno ione positivo non è l’unico effetto provocato dall’impatto tra le molecole ed elettroni

Nella ionizzazione chimica [CI: Chemical Ionization (soft)] la molecola organica in esame viene ionizzata mediante interazione con uno o più ioni derivati dalla ionizzazione elettronica di un gas reagente (Bulk gas/M = 1000/1)

Spettro di massa per EI dell’efedrina a 70 eV Non si osserva alcun picco dovuto allo ione molecolare (m/z 165) Spettro di massa per CI, con metano, dell’efedrina Si osserva un intenso picco a m/z 166 attribuibile alla molecola protonata

Un’altra tecnica soft è quella chiamata ionizzazione di campo e desorbimento di campo (FI: Field Ionization - FD: Field Desorpition) la differenza consiste nella maniera di introdurre il campione La molecola organica in esame viene depositata in forma di sottile pellicola su uno speciale filamento che viene posto in un campo elettrico di potenziale molto elevato (107-108 volts/cm) La rimozione di un elettrone dalla molecola neutra per effetto di questo campo elettrico è accompagnata da un trasferimento di energia allo ione molecolare molto inferiore a quella che si ha nella ionizzazione elettronica (EI) A causa di questo processo di ionizzazione “soft” si ha una elevata percentuale di ioni molecolari intatti

Spettro di massa del cloramfenicolo EI FI FD

Sfortunatamente non tutti i composti presentano nel loro spettro lo M+ Sfortunatamente non tutti i composti presentano nel loro spettro lo M+. in questi casi, vengono utilizzati metodi alternativi di ionizzazione più blandi rispetto l’EI 2,2-demetilpropano C5H12 PM = 72 m/z = 57 m/z = 72 assente (M+.)

Spettro dell’acetato di etile 15 eV 70 eV 13 eV

esano benzene cicloesano

Quadrupole Mass Analyzers m/z = V/RF È l’analizzatore più usato nei sistemi accoppiati GC-MS (gas–massa) In esso si usano campi elettromagnetici non statici ma dinamici Il quadrupolo è un sistema costituitoda quattro barrette cilindriche collegate tra loro elettricamente a due a due ad un generatore di radiofrequenza (RF) e ad un generatore di potenziale elettrostatico (V) Il cambio di polarità è sfalsato di 180°

Quadrupole Mass Analyzers Gli ioni provenienti dalla sorgente entrano nell’analizzatore lungo l’asse longitudinale (z), qui essi subiscono l’azione dei due campi combinati ed assumono delle traiettorie piuttosto complicate ed irregolari m/z = V/RF Alcuni ioni hanno un percorso stabile del tipo arrivano fino al z rivelatore mentre altri assumono un cammino instabile e cadono sulle barrette Facendo variare i valori delle due tensioni applicate (la continua, V, e quella RF) i diversi ioni assumeranno in modo sequenziale il percorso stabile e arriveranno separati al rivelatore z

m/z = V/RF

Quadrupole Mass Analyzers Animation

Cromatografia di adsorbimento Cromatografia di ripartizione cromatografia liquida ad alta pressione HPLC (High Performance Liquid Chromatography) è utilizzata per la separazione e la purificazione di prodotti di reazione e miscele complesse La cromatografia permette di separare due o più componenti di una miscela distribuendosi tra due fasi: Fase stazionaria: solida o liquida (su supporto solido) b) Fase mobile: liquida o gas che fluisce in modo continuo attorno alla fase stazionaria (eluente) La separazione dei singoli componenti è dovuta principalmente alle loro diverse affinità per la fase stazionaria Cromatografia di adsorbimento (liquido-solido) Cromatografia di ripartizione (liquido-liquido)

Analisi HPLC (cromatogramma) di una miscela di 14 pesticidi agricoli La struttura di questi pesticidi può essere trovata consultando il Merck Index

La gas-cromatografia è un tipo di cromatografia di ripartizione

Spettro di massa del Metano (CH4) PM = 16 Lo spettro di massa di un composto si presenta come un grafico a picchi con le masse (i valori di m/z) lungo l’asse delle x e l’intensità (numero di ioni per un dato m/z che colpiscono il rivelatore) sull’asse delle y

Il picco più intenso, a cui viene arbitrariamente assegnata Spettro di massa del Metano (CH4) PM = 16 Il picco più intenso, a cui viene arbitrariamente assegnata un’intensità pari a 100%, viene chiamato picco base mentre il picco che corrisponde ad un radicale catione non frammentato è chiamato picco “genitore” (parent peak) o ione molecolare (M+.)

Spettro di massa del Metano (CH4) PM = 16 Lo spettro di massa del metano è semplice perché sono possibili poche frammentazioni, ed in questo caso M+. ed il picco base coincidono

Gli schemi di frammentazione di gran parte delle molecole grandi sono complessi e lo ione molecolare spesso non coincide con il picco base Per esempio lo spettro di massa del propano, riportato sotto, presenta uno ione molecolare a m/z = 44 con un’intensità del 30% rispetto al picco base a m/z = 29, inoltre si possono osservare molti altri ioni di frammentazione m/z = 29 Propano (C3H8) PM = 44 (M+.)

- Lo spettro di massa del pentano, mostrato come un grafico a barre e in forma tabulata - Il picco base rappresenta il frammento con l’abbondanza più grande - Il valore m/z dello ione molecolare da la massa molecolare del composto

picco base 29 43 15 57

Principali tipi di ioni Ione molecolare Ioni di frammentazione Ioni di riarrangiamento Ioni a carica multipla Ioni metastabili Ioni negativi Ioni di interazione ione-molecola 8) Ioni isotopici

[AB]+ A+ + B ioni di frammentazione Processo di ionizzazione elettronica (EI: Electron Impact 70 eV) ABCD + e- [ABCD]+. + 2e- ione molecolare [ABCD]+. [AB]+ + [CD]. [AB]+ A+ + B ioni di frammentazione ioni di frammentazione [ABCD]+. [AD]+. + BC ioni di riarrangiamento - Ioni a carica multipla, pochi, 2 – 3% rispetto allo ione molecolare - Ioni metastabili non ci interessano - Ioni negativi non rilevabili nelle nostre condizioni Ioni isotopici

Energia media di legame C-C è circa 75 Kcal/mole 70 eV = 1500 Kcal/mole Energia media di legame C-C è circa 75 Kcal/mole P.I. della Molecola (6-13 eV)

“Quasi Equilibrio” 1) Tempo 10-16 sec 2) 3) La descrizione fisica del fenomeno è data dalla teoria del “Quasi Equilibrio” Ione molecolare eccitato senza alcun cambiamento delle distanze interatomiche 1) ABCD + e- [ABCD]+. + 2e- Tempo 10-16 sec 2) Nel periodo di tempo successivo fra 10-16 e 10-12 sec l’energia in eccesso trasferita allo ione molecolare e inizialmente localizzata in un punto viene ridistribuita fra tutti i legami della molecola sotto forma di energia vibrazionale e rotazionale portando ad uno stato di equilibratura interna dell’energia 3) Ma si tratta di un “quasi equilibrio” in quanto esso e di breve durata (10-12 e 10-8 sec) e successivamente, in un periodo di tempo compreso tra 10-10 e 10-6 sec interviene la rottura dei legami più deboli

Ridistribuzione di energia, eventuale isomerizzazione interna Riassumendo, le frammentazioni che sono alla base di uno spettro di massa sono l’ultima fase di un processo che ha la sua origine nella interazione elettrone-molecola, e si articola in tre fasi Ionizzazione Ridistribuzione di energia, eventuale isomerizzazione interna accumulo di energia vibrazionale in alcuni legami 3) Frammentazione È lo studio di questi frammenti tutti derivanti tutti dallo ione molecolare in prima, seconda o terza generazione che ci consente di ricavare informazioni strutturali sul composto in esame

Ioni isotopici

Spettro di massa del 1-bromopropano Picco base PM Due ioni molecolari Il peso molecolare (PM) di una molecola viene calcolata sommando i pesi atomici degli atomi che la compongono utilizzando gli isotopi più abbondanti in natura C = 12 H = 1 O = 16 N = 14 Cl = 35 Br = 79 e così via

Spettro di massa del 2-cloropropano

15

Normalizzazione rispetto lo ione molecolare (M+.) = 100 Alogeni % % % % % Presenti M+2 M+4 M+6 M+8 M+10 Br 97,9 Br2 195,0 95,5 Br3 293,0 286,0 93,4 Cl 32,6 Cl2 65,3 10,6 Cl3 97,8 31,9 3,47 Cl4 131,0 63,9 14,0 1,15 Cl5 163,0 106,0 34,7 5,66 0,37 Cl6 196,0 161,0 69,4 17,0 2,23 BrCl 130,0 Br2Cl 228,0 159,0 31,2 Cl2Br 74,4 10,4 M+12

La localizzazione della carica Energia degli elettroni n < p < s

Tra i legami semplici sono piuttosto labili i legami C-X Fattori che influiscono sull’abbondanza degli ioni Stabilità dei prodotti di reazione Una reazione di decomposizione viene favorita se entrambi i prodotti della reazione, cioè sia lo ione che il frammento neutro sono molto stabili (es. effetti induttivi, coniugativi o risonanza) 2) Labilità dei legami coinvolti Tra i legami semplici sono piuttosto labili i legami C-X 3) Fattori sterici Sono particolarmente importanti nelle reazioni di riarrangiamento

La spettroscopia di massa fornisce una sorta di “impronta digitale” della molecola Infatti la frammentazione di ogni molecola organica dipende dalla sua struttura e la possibilità che due composti abbiano spettro di massa identico è minima Così alcune volte è possibile identificare un composto ignoto confrontando il suo spettro di massa con uno dei circa 400.000 e più spettri catalogati in un database chiamato “Registry of Mass Spectral Data”

Questo processo ha luogo quando il radicale catione E’ inoltre possibile ricavare altre informazioni strutturali di una molecola studiandone lo schema di frammentazione Questo processo ha luogo quando il radicale catione ad elevata energia si scinde per rottura spontanea di un suo legame chimico In questo caso uno dei due frammenti che vengono generati ritiene la carica positiva diventando quindi un carbocatione, mentre l’altro diventa un radicale neutro

Dissociazione di un legame s Processo favorito negli alcani dove ovviamente non esistono elettroni di altro tipo Nella dissociazione la carica andrà preferenzialmente sul frammento in grado di stabilizzarla meglio attraverso i meccanismi che abbiamo visto Un eccezione a questa tendenza è data dalla preferenza per la perdita del radicale alchilico più grosso

3-metileptano PM = 114 43 57 85 29 114 99 m/z 57 m/z 85 m/z 99 m/z 113 C4H9. C2H5. CH3. H.

Spettro di massa del pentano

Spettro di massa del 2-metilbutano 15 29

Spettro di massa del 2,2-dimetilpropano

Rottura a (a cleavage) rottura allilica rottura benzilica Il punto di innesco di questa reazione è costituito dall’elettrone non accoppiato che ha una forte tendenza ad accoppiarsi Esso viene ceduto per formare un nuovo legame insieme ad un altro elettrone proveniente dalla rottura di un altro legame dell’atomo in posizione a rispetto al punto in cui è localizzato il radicale Tale rottura avviene quando nella molecola abbiamo elettroni p (alcheni) o elettroni n (eteroatomi saturi o insaturi) Tale frammentazione nel caso degli alcheni viene chiamata rottura allilica mentre nel caso degli aromatici rottura benzilica

N > S, O, p, R’ > Cl, Br > H Reazione favorita in base alla capacità di donare elettroni dell’eteroatomo o sistema p N > S, O, p, R’ > Cl, Br > H

30 73 43

1-butene

2-esene

- C2H5.

3-eptino

- CH3. +. - C2H5.

Rottura induttiva (i) Il punto di innesco di inizio di questa frammentazione può essere consideratola carica elettrica positiva, che attrae una coppia di elettroni da un legame adiacente Si ha pertanto una dissociazione eterolitica con trasferimento di carica La tendenza a formare lo ione R+ partendo da RY decresce variando Y nell’ordine: Cl > Br, O, S, I >> N, C, H Tale tendenza quindi rispecchia l’effetto induttivo di Y

Comunque la stabilizzazione della carica è un fattore più importante della stabilizzazione del radicale nel determinare i prodotti di reazione Poiché queste rotture induttive richiedono un trasferimento di carica esse sono meno favorite della rottura a

produce ioni alchilici e radicali acilici che sono esattamente Questa frammentazione non rompe il legame multiplo con un eteroatomo, ad esempio il C=O La rottura a produce ioni acilio e radicali alchilici mentre la rottura induttiva produce ioni alchilici e radicali acilici che sono esattamente complementari alla rottura in alfa

Spettro di massa del 2-pentanone

a a 15 43

sec-butilisopropiletere M+. 29 m/z 116 15 15

sec-butilisopropiletere M+. i 59 i 73

La rottura induttiva, essendo una reazione innescata dalla carica elettrica viene subita anche dagli ioni ad elettroni pari M+. m/z = 101 m/z = 57 44 m/z = 87 m/z = 43 44 m/z = 101 m/z = 43 58

Decomposizione di strutture cicliche cicloesano 55 69

Retro Diels-Alder La presenza di un sistema p su un anello a 6 membri come nel caso del cicloesene fornisce un sito dove localizzare la carica ed il radicale Quest’ultimo induce una doppia rottura a che porta alla eliminazione di una molecola neutra (C2H4) molto stabile

Reazione di Diels-Alder (diene + dienofilo) complesso attivato

Cicloesene (butadiene) (etilene) 67 = M +. -15 54 82 = M +. 28 PI = 9,1 PI = 10,1 (butadiene) (etilene)

4-fenil-1-cicloesene (stirene) (butadiene) 104 77 (Ph+) M+. = 158 54 PI = 9,1 PI = 8,4 (stirene) (butadiene)

Regola di Stevenson-Audier Nei casi in cui l’esistenza di due processi competitivi può portare alla localizzazione della carica o sull’uno o sull’altro dei due frammenti può essere previsto dalla Regola di Stevenson-Audier Tale regola dice che nella frammentazione la carica si localizza preferenzialmente sul frammento da cui un elettrone può essere estratto con meno energia, cioè sul frammento avente il minor potenziale di ionizzazione

Trasposizioni indotte dal radicale Si definiscono trasposizioni quelle reazioni di decomposizione che producono ioni i cui atomi componenti non hanno conservato le stesse interconnessioni presenti nella molecola originale Esse avvengono quando parti diverse della stessa molecola interagiscono tra loro

Talvolta queste interazioni sono talmente estese e radicali da costituire dei veri e propri riarrangiamenti, e gli ioni risultanti non hanno in pratica più alcuna utilità ai fini delle determinazione della struttura della molecola iniziale Per fortuna gran parte delle trasposizioni avvengono non in questa maniera ma con un meccanismo specifico e ben noto per cui gli ioni prodotti da questi processi di frammentazione sono molto utili dal punto di vista diagnostico

Trasposizione di Mc Lafferty: Le trasposizioni di idrogeno indotte dal radicale sono fra le più importanti da questo punto di vista (specifiche e non) Trasposizione di Mc Lafferty: è la trasposizione di un atomo di idrogeno in posizione g su un gruppo insaturo accompagnata da una rottura in b

M+. – 43 2-pentanone M+. – 15 M+. - -

a a 15 43

Il punto di partenza di questa trasposizione è sempre l’elettrone non accoppiato che tende a formare un nuovo legame con un atomo di idrogeno che sia vicino nello spazio È una frammentazione molto specifica, coinvolge solo l’idrogeno in posizione g Se in questa posizione non vi sono H disponibili essa non avviene La specificità della posizione g deriva dal fatto che la frammentazione decorre attraverso uno stato di transizione a 6 membri energeticamente favorito

Anche i fattori sterici in questo caso hanno la loro importanza è necessario infatti che la distanza interatomica fra l’atomo di H e l’atomo Y del sistema insaturo sia inferiore a 1,8 A perché la trasposizione avvenga, distanze superiori impediscono che essa abbia luogo °

Propionato di etile PM = 102 28 74 M+. > P.I.= 10,2 P.I.= 10,5

Propionato di etile Propionato di propile m/z = 74 Propionato di etile m/z 28 m/z = 42 Propionato di propile m/z 74

Propionato di propile PM = 116 42 74 > P.I.= 9,8 P.I.= 10,2

Il prodotto ionico della trasposizione di Mc Lafferty può dar luogo anche ad una seconda trasposizione di idrogeno dello stesso tipo se è disponibile una catena alchilica sufficientemente lunga Anche il secondo atomo di idrogeno che traspone proviene da una posizione g

Trasposizione di un idrogeno su un atomo saturo con rottura del legame adiacente (non specifica) (ritenzione di carica) (trasferimento di carica)

(Mass of molecular ion: 102) 56 (Mass of molecular ion: 102) 18 31 84

1-butanolo

CH3CH2CH2]+ = m/z 43 (rottura a) 1-butanolo CH3CH2CH2]+ = m/z 43 (rottura a)

in posizione orto, in uno dei quali sia presente Un caso particolare di trasposizione di idrogeno di questo tipo è il cosiddetto EFFETTO ORTO caratteristico dei sistemi aromatici con due sostituenti in posizione orto, in uno dei quali sia presente un idrogeno labile La reazione è anche favorita dalla stabilizzazione per risonanza dello ione risultante È una frammentazione abbastanza utile dal punto di vista diagnostico in quanto permette di differenziare un aromatico disostituito in posizione orto dall’isomero meta o para

ethyl o-hydroxybenzoato 120 (PM = 166) 92 M +.

ethyl p-hydroxybenzoate 121 ethyl p-hydroxybenzoate (PM = 166) M +. 138 93

Trasposizione indotte dalla carica È una trasposizione di un atomo di idrogeno su un gruppo insaturo contenente un eteroatomo Gli ioni a elettroni pari provenienti dalla rottura a degli ioni molecolari delle ammine e degli eteri danno spesso questa frammentazione

86 58 101 M +. 30 42

Alcoli Nello spettro di massa, gli alcoli possono andare incontro a due differenti vie di frammentazione: la scissione alfa e la disidratazione Nel caso della scissione a si rompe un legame C-C vicino al gruppo ossidrilico dando origine ad un radicale neutro e ad un frammento contenente ossigeno e carico positivamente Nel caso della disidratazione, viene eliminata acqua (molecola neutra) e si forma un radicale-catione olefinico con massa pari a M+ - 18

Ammine Le ammine subiscono una scissione a simile a quella degli alcoli, si rompe il legame C-C vicino all’atomo di azoto con formazione di un radicale alchilico ed un catione contenente azoto

Spettro di massa del 2-esanolo 43

e-

57 Picco base 82 44 67 72 100 M +.

* *

2-metil-3-pentanolo m/z = 102 Il composto è un alcol a catena aperta e ci si aspetta che frammenti dando scissione a e disidratazione, questi due processi portano alla formazione di frammenti carichi a m/z = 84, 73 e 59; di questi tre frammenti attesi in realtà non si osserva quello che deriva dalla disidratazione dell’alcol (m/z = 84) mentre avvengono entrambe le scissioni a (m/z = 73 e 59)

N-etilpropilammina

Composti carbonilici I chetoni e le aldeidi che hanno un atomo di idrogeno in posizione g rispetto al gruppo carbonilico subiscono una scissione caratteristica, chiamata trasposizione di McLafferty L’atomo di idrogeno viene trasferito all’ossigeno carbonilico, si rompe un legame C_C e si forma un frammento olefinico neutro e la carica rimane preferenzialmente sul frammento che contiene l’ossigeno

Inoltre aldeidi e chetoni danno scissione a del legame tra il gruppo carbonilico ed il carbonio ad esso legato, con formazione di un radicale neutro e di un catione contenente ossigeno (ione acilio)

M+. – 43 2-pentanone M+. – 15 M+. - -

a a

5-metil-2-esanome 71 56

la doppia trasposizione di idrogeno Un’altra trasposizione indotta dalla carica è la doppia trasposizione di idrogeno spesso chiamata anche “McLafferty + 1” che coinvolge due atomi di idrogeno in posizione g E’ una trasposizione tipica degli esteri, tioesteri, ammidi e fosfati

La prima fase è analoga ad una trasposizione di McLafferty, ma lo ione intermedio, a causa della presenza di un secondo eteroatomo, da una seconda trasposizione di idrogeno Naturalmente lo stesso ione intermedio può, in alternativa, subire una rottura a e dare il normale ione prodotto dalla McLafferty

Gli ioni provenienti da questa doppia trasposizione di idrogeno non sono mai molto intensi, ma sono facilmente riconoscibili perché corrispondono a perdite poco comuni di CH2=CH. CH3CH=CH. CH3CH2CH=CH. CH3CH2CH2CH=CH. 27 41 55 69 Naturalmente è necessario avere una catena alchilica sufficientemente lunga e due idrogeni disponibili nella posizione g per avere questa trasposizione Lo spettro dell’acetato di etile mostra un picco a m/z 61 abbastanza intenso la cui origine è dovuta alla doppia trasposizione di idrogeno

43 61 45 29 73 88 M +. 15

potenziale di ionizzazione sul frammentoda cui un elettrone può essere Analoga è l’origine del picco a m/z 75 negli spettri del propionato di etile e del propionato di propile Questi due spettri li abbiamo già visti come esempio dell’applicazione della regola di Stevenson-Audier nel localizzare la carica positiva su un frammento o sull’altro in funzione del potenziale di ionizzazione “la carica si localizza preferenzialmente sul frammentoda cui un elettrone può essere estratto con minore energia”

Propionato di etile PM =102 29 Propionato di etile PM =102 57 28 74 45 M+. 75 73 > P.I.= 10,2 P.I.= 10,5

Propionato di etile m/z = 74 Propionato di propile m/z = 42

> Propionato di propile 57 PM = 116 75 29 42 43 74 87 P.I.= 9,8

27 m/z = 75 Propionato di etile 41 m/z = 75 Propionato di propile

Supponiamo di avere due composti riposti senza etichetta, metilcicloesano ed etilciclopentano Come si può utilizzare la spettrometria di massa per distinguerli?

M+. = 98 (C7H14) etilciclopentano metilcicloesano

Inoltre il composto B a m/z = 69 presenta solo un picco poco intenso Il campione B mostra un picco base a m/z = 83 corrispondente alla perdita dallo ione molecolare di un gruppo CH3 (15 unita di massa) 83 Inoltre il composto B a m/z = 69 presenta solo un picco poco intenso M+. 69 Quindi si può supporre che il composto B sia il metilencicloesano

Il composto A sarà l’etilciclopentano 69 Il campione A invece mostra un picco di ridotta intensità a m/z = 83 83 Viceversa il composto A ha un picco base a m/z = 69 corrispondente alla perdita di un gruppo CH3CH2 (29 unità di massa) Il composto A sarà l’etilciclopentano

Assegnare ciascuno spettro, spiegandone le ragioni m/z = 41 m/z = 69 m/z = 84 M+. m/z = 55 m/z = 84 M+. m/z = 69 In figura sono riportati due spettri di massa uno corrisponde al 2-metil-2-pentene l’altro spettro al 2-esene Assegnare ciascuno spettro, spiegandone le ragioni

Trasposizioni strutturali Sono trasposizioni in cui sono coinvolti atomi diversi dall’idrogeno Comportano pertanto modifiche dello scheletro della molecola e si formano unità strutturali diverse da quelle originali Tali trasposizioni sono così numerose e diverse tra di loro che non possono essere raggruppate secondo schemi fissi Possiamo solo vedere qualche esempio ipotizzando, quando è possibile un meccanismo di frammentazione

dalla presenza di eteroatomi m/z = 180 - CO (28) m/z = 152 In generale si osserva che queste trasposizioni avvengono più facilmente nei sistemi aromatici, e vengono facilitate dalla presenza di eteroatomi

Composti aromatici

Negli alchilbenzeni (monosostituiti) si verifica la perdita di un H Negli alchilbenzeni (monosostituiti) si verifica la perdita di un H. con la formazione dello ione tropilio m/z 91

In quelli disostituiti si ha la perdita di un .CH3 con la formazione dello ione tropilio

91 M+. = 106

I benzeni sostituiti perdono i rispettivi sostituenti per dare il catione fenilico a m/z 77 m/z 77

77 = M+. - 46 M+. = 123 65 93 30

Questo processo avviene anche quando il sostituente è il gruppo NH2, in questo caso si ha eliminazione di una molecola di HCN

M+. = 94 M+. – 28 (CO) = 66 65

M+. = 93 M+. – 27 (HCN) = 66 M+. – (27 (HCN) + H.) = 65

I benzeni sostituiti possono dare rottura in posizione b dell’anello aromatico

105 77 M+. = 120 43

m/z 93

M+. = 108 65 77 93

Caratteristica per gli aromatici è la serie di ioni a: m/z 38-39 Dovuta alla frammentazione dell’anello che richiede energie relativamente alte

Anche gli ioni molecolari contenenti un sistema aromatico eterociclico a cinque termini si frammentano con una fissione in b

Quando A = -CH2-, lo ione risultante può trasformarsi nello ione “onio” ciclico a sei termini (Y = O, S, NH)

Oltre la rottura in b, gli eteroaromatici ciclici a cinque termini possono dare la rottura dell’anello con conseguente formazione di un numero notevole di ioni contenenti l’eteroatomo o no

Y = O, S, NH Se R = H avremo: furano - due picchi uno a m/z 39 (C3H3+) e l’altro a m/z 29 (HC≡O+) tiofene - tre picchi a m/z 39 (C3H3+), m/z 45 (HC≡S+) e m/z 58 (C2H2S+.) pirrolo - tre picchi a m/z 39 (C3H3+), m/z 28 (HC≡NH+.), m/z 41(C2H2NH+.) Il pirrolo può anche eliminare una molecola neutra di HCN per dare un picco intenso a m/z 40

m/z 58 (C2H2S+.) m/z 41 (C2H2NH+.) Y = S, NH

M+. = 67 M+. - HCN (27) = 40 39 41 28

39 M+. = 68 29

M+. = 84 58 45 39 M+2 = 86

Anche l’anello sostituito della piridina preferisce la rottura in b nel processo di fissione semplice La probabilità di questo tipo di rottura dipende dalla posizione del sostituente La densità elettronica in posizione 3, dell’anello è maggiore che in 2 e 4, quindi quando il sostituente è in posizione 3 la rottura in b dà lo ione più stabile rispetto alle altre

m/z 92 ciclopentadienile m/z 65

92 (azatropilio) M+. = 121 ciclopentadienile 65

Un gruppo alchilico di tre o più atomi in posizione 2 può dare una migrazione di idrogeno verso l’azoto dell’anello m/z 93

93 106 M+. = 121

Frammento m/z Molecola originaria eliminato CH3. 15 Ar-CH=CH-Ar H2O 18 C10H21-O-C10H21 N2 28 Ar-N=N-Ar C2H4 28 Ar-CH2CH2CH2Br NO 30 Ar-NO2 S, SH, SH2 32-34 R-S-R, R-S-Ar, Ar-S-Ar, R-S-S-R CS 44 Ar-S-Ar CF2 50 C6H5-CF3 SO2 64 R-SO2-R, Ar-SO2-OR

M +. = m/z 90 è il 75,3 % del picco base                                                                                            m/z 47 m/z 61 m/z 62 M+2 M +. = m/z 90 è il 75,3 % del picco base M+2 = m/z 92 è il 3,5% del picco base Considerando 100 il picco molecolare (M) lo ione M+2 corrisponde ad un 4,6% del picco molecolare, ciò indica la presenza di un atomo di zolfo

i tH

Frammentazione dell’esano in uno spettrometro di massa M - 14 esano

contenere un numero pari di atomi di azoto Regola dell’azoto In molti casi è possibile scartare picchi di presunti ioni molecolari semplicemente sulla base di ragionevoli requisiti strutturali, tra questi la regola dell’azoto è moto utile essa stabilisce che: • una molecola avente peso molecolare pari deve contenere un numero pari di atomi di azoto oppure non contenerne alcuno • una molecola avente peso molecolare dispari deve contenere un numero dispari di atomi di azoto Questa regola vale per tutti i composti contenenti carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto, zolfo e alogeni, come pure molti degli atomi meno comuni, quali fosforo, boro, silicio, arsenico e metalli alcalino-terrosi

con massa dispari a partire da uno ione molecolare pari Questa regola deriva dal fatto che l’azoto è l’unico elemento, tra i più comuni in chimica organica, avente massa pari e valenza dispari Un utile corollario stabilisce che la frammentazione in corrispondenza di un legame singolo fornisce un frammento ionico con massa dispari a partire da uno ione molecolare pari CH3OH+. → CH2OH+ + H. m/z 32 m/z 31 CH3OH+. → CH3+ + OH. m/z 32 m/z 15 con massa pari a partire da uno ione molecolare dispari CH3NH2+. → CH2NH2+ + H. m/z 31 m/z 30 Affinché valga questo corollario, il frammento ionico deve contenere tutti gli atomi d’azoto (se presenti) dello ione molecolare

La massa, PARI o DISPARI, dello ione molecolare e dei frammenti ionici riflette lo stato elettronico di tali ioni (+ ●) o (+) Bisogna però tenere presente il numero di atomi di azoto! La massa degli ioni radicalici (al pari dello ione molecolare) sarà pari se contengono un numero pari di atomi di N o non ne contengono, sarà dispari se contengono un numero dispari di atomi di N Ioni senza N o con un n° pari di N Massa pari Elettroni dispari +● Massa dispari Elettroni pari + Ioni con un n° dispari di N

anilina m/z 93 M+. m/z 66 m/z 65 m/z 92

CH3NH2+. → CH2NH2+ + H. m/z 31 m/z 30 Ioni senza N o con un n° pari di N Massa pari Elettroni dispari +● Massa dispari Elettroni pari + Ioni con un n° dispari di N

4-clorofenilisocianato M+. 4-clorofenilisocianato (PM = 153) 125 90 M+2 63

Ioni senza N o con un n° pari di N Massa pari Elettroni dispari +● Massa dispari Elettroni pari + Ioni con un n° dispari di N M+. m/z 123 Affinché valga questo corollario, il frammento ionico deve contenere tutti gli atomi d’azoto (se presenti) dello ione molecolare

M+. m/z 123

m/z 77 M+. m/z 123 m/z 65 m/z 93

F + (Ioni ad Elettroni Pari) + Y. F +. (Ioni ad Elettroni dispari) + X Massa Dispari M +. Massa pari F +. (Ioni ad Elettroni dispari) + X Massa Pari ione molecolare

FINE