espectrometria de massas v1.1.09
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Espectrometria
De
Massas
Versão 1.1.09
2
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................................................................... 3
1.1 O ESPECTRÔMETRO DE MASSAS ................................................................................................................................ 3
1.1.1 Técnicas de Ionização ................................................................................................................................... 4
1.1.1.1 Impácto de elétrons ............................................................................................................................................. 5
1.1.1.2 Ionização Química ................................................................................................................................................ 6
1.1.2 Analisadores de massa ................................................................................................................................. 7
1.1.2.1 Quadrupolo.......................................................................................................................................................... 7
1.1.3 Detectores de Massa .................................................................................................................................... 9
2 O CROMATOGRAMA DE ÍONS TOTAIS E O ESPECTRO DE MASSAS .......................................................................... 10
2.1 INTERPRETAÇÃO DE ESPECTRO DE MASSAS ................................................................................................................. 13
2.1.1 Procedimento para Interpretação ............................................................................................................... 14
2.1.2 Ferramentas para interpretação de espectros de massas ............................................................................ 14
2.1.2.1 Abundância isotópica ......................................................................................................................................... 15
2.1.2.2 Determinação de Íon Molecular.......................................................................................................................... 16
2.1.2.3 Regra do Nitrogênio ........................................................................................................................................... 16
2.1.2.4 Anéis e dupla ligação .......................................................................................................................................... 17
2.1.2.5 Perdas Lógicas de fragmentos............................................................................................................................. 17
2.1.2.6 Perdas lógicas de moléculas ............................................................................................................................... 18
2.1.2.7 Íons Comuns ...................................................................................................................................................... 18
2.1.3 Guia para normalização das abundâncias ................................................................................................... 18
3 EXEMPLOS DE INTERPRETAÇÃO DE ESPECTROS DE MASSAS .................................................................................. 19
3.1 COMPOSTO DESCONHECIDO X ................................................................................................................................ 19
3.2 COMPOSTO DESCONHECIDO Y ................................................................................................................................ 23
3.3 COMPOSTO DESCONHECIDO Z ................................................................................................................................ 25
4 EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO ........................................................................................................................................ 28
3
1 Introdução
O espectrômetro de massas depende de uma fase de separação dos compostos a serem identificados
antes da admissão no sistema. Esta fase de separação não necessariamente deverá ser um cromatógrafo,
qualquer outra técnica que separe os componentes de uma mistura, pode ser acoplado a um espectrômetro
de massas. O estado da arte da espectrometria de massas atualmente permite acoplá-lo a inúmeros
instrumentos e os avanços crescem de forma exponencial, tanto na química orgânica quanto a inorgânica.
1.1 O espectrômetro de massas
Em 1913, J.J. Thonson demonstrou que o neon de diferentes espécies atômicas (isótopos) tendo peso
atômico de 20 e 22 g/mol. Thonson é considerado o “pai da espectrometria de massa”. Seu trabalho repousa
na descoberta de Goldstein´s (1886) de que íons carregados positivamente podem sofrer deflexão pelos
campos elétrico e magnético.
O espectrômetro de massa é um instrumento que mede a razão massa/carga (m/z) de íons na fase
gasosa e fornece a abundância de cada espécie iônica. Em GC/MS a carga é quase sempre 1, de maneira que a
escala é calibrada em dalton ou unidade de massa atômica. Todos os espectrômetros de massas operam pela
separação dos íons na fase gasosa em um ambiente de baixa pressão através da interação de um campo
elétrico ou magnético com as partículas carregadas. Os espectrômetros de massas mais comuns operam
interfaciados com cromatógrafos gasosos e são classificados de acordo com o método de classificação dos íons
em setor magnético ou quadrupolo.
Figura 1 – Representação esquemática para a espectrômetria de massas.
4
Figura 2 – Representação ilustrada de um espectrômetro de massas acoplado a um CG.
Figura 3 – Espectrômetro de massas acoplado a um cromatógrafo (Agilent).
1.1.1 Técnicas de Ionização
Existem três métodos importantes para a preparação de íons gasosos (I) Volátil, os materiais são
geralmente ionizados por interação de seus vapores com elétrons, íons, ou fortes campos elétricos (II) Um
5
campo elétrico forte também pode ionizar materiais não-voláteis além de, íons não-voláteis e termicamente
estáveis. (III) alternativamente, soluções líquidas do analito podem diretamente serem convertidas em íons de
fase gasosa via técnicas de spray. Método (i) pode só ser aplicados a monômeros ou em conjunto com
métodos de degradação (principalmente pirólise). Métodos (ii) e (iii) estes métodos são para polímeros não
fragmentados.
A produção de íons nos espectrômetros de massas envolve vários fatores. Certos tipos de análises
necessitam de íons em profusão e outros de seletividade. Há casos em que a energia com que se forma o íon
é muito importante. Também, o estado da amostra como visto anteriormente, pode determinar qual o
método a ser usado.
Os métodos mais utilizados em espectrometria de massas são: Ionização por elétrons ou impacto de
elétrons (EI); Ionização Química (CI); Ionização por radiação laser; Ionização por campo elétrico; Ionização de
superfície; Ionização por electrospray. Nesta apostila será dada ênfase aos dois métodos mais utilizados que
são impacto de elétrons (EI) e ionização química (CI).
Figura 4 – Foto ampliada de uma fonte de íons para a técnica impácto de elétrons (Agilent).
1.1.1.1 Impácto de elétrons
Quando uma corrente é aplicada a um filamento, o filamento é aquecido resistivamente até a
incandescência, emitindo vários elétrons simultaneamente. Placas colimadoras são empregadas para o
controle do feixe de elétrons emitidos. Um potencial de aproximadente 70 V é mantido entre o filamento e a
placa de tal forma que os elétrons sejam acelerados para longe do filamento e passem através das placas
colimadoras com uma energia média de 70 eV.
O valor de 70 eV é comum porque a probabilidade de ionização para a maioria dos compostos
orgânicos é maximizada próximo deste valor.
As placas colimadoras levam os elétrons energéticos a colidirem com as moléculas do gás. Utilizando o
nitrogênio como exemplo, o impacto do elétron primário, ep-, sobre a molécula de N2 faz com que a molécula
em seu estado fundamental seja promovida a energias maiores escapando do poço de potencial da molécula
neutra. Um elétron secundário, es-, é liberado pela molécula de nitrogênio, segundo a equação (1.1).
)eV5,54(eeNN)eV70(e ps.
22p (1.1)
6
O cátion de nitrogênio excitado (N2+.), tem uma energia no estado fundamental de 15,6 eV acima da
molécula original de N2, pois a energia de ionização EI (N2) é de 15,6 eV. A colisão pode resultar na formação
de N2+ excitado com energias mais altas. Quando o excesso de energia é eletrônico (B), a energia pode ser
liberada na forma de um fóton com energia específica, permitindo que íon N2+ volte ao seu estado
fundamental (X), segundo a equação (1.2).
hv)X(N)B(N 22 (1.2)
O impacto do elétron primário pode também aumentar a energia vibracional do cátion resultante e
este aumento na energia vibracional tem um importante papel na espectrometria de massas. Na medida em
que a razão de vibração e alongamento aumenta, a probabilidade de rompimento da ligação também
aumenta. A ruptura da ligação resulta na fragmentação do íon-pai como se fora um copo de vidro que se
quebra ao cair no chão. O padrão de fragmentação depende da composição do íon-pai, e o exame do padrão
de fragmentação leva a uma compreensão da estrutura e composição do íon-pai. Para o nitrogênio a única
fragmentação possível é o íon N+.
Figura 5 – Esquema de fonte de ionização eletrônica
1.1.1.2 Ionização Química
Um modo alternativo de ionização é a ionização química (CI). Alguns equipamentos, que contém um
cromatógrafo acoplado, permitem através de um chaveamento automático a obtenção do espectro por
impacto eletrônico (EI) e a ionização química (CI). O método da CI envolve a mistura da amostra (~10-
4Torr) com um gás reagente em alta pressão (1Torr) na fonte de formação dos íons. Os gases reagentes,
comumente usados, são: metano, isobutano e amônia. A mistura resultante submetida ao bombardeio
eletrônico ioniza, inicialmente, algumas moléculas do gás reagente. Deste modo, usando o gás metano as
espécies esperadas são, CH4+. e CH3
+.. Em alta pressão, colisões destas espécies e reações íon-molécula com o
próprio gás reagente são comuns, levando a formação de íons secundários, com um pequeno excesso de
energia interna:
7
CH4+. + CH4 ==> CH5
+ + CH3
CH3+ + CH4 ==> C2H5+ + H2
Estes íons secundários, eventualmente, colidem com moléculas da amostra, resultando na ionização
química das últimas. A ionização química é, comumente, devido à protonação, especialmente para compostos
básicos:
M + CH5+ ==> ( M + 1 )+ + CH4
Os íons, quase-moleculares, são espécies com elétrons pares que tendem a ser mais estáveis do que os
íons moleculares produzidos por EI. A combinação da energia mais baixa no processo de ionização, com esta
maior estabilidade, indica que os íons quase-moleculares são, geralmente, pouco abundantes no espectro de
CI.
A interpretação destes espectros é com freqüência mais direta do que para o espectro de EI, desde
que existam poucos íons fragmentados, os quais tendem a ser de maior significância. A quantidade da
fragmentação pode ser mudada pela natureza do gás reagente. Em geral, tanto as faixas dos compostos
protonados e o grau de fragmentação observado decrescem quando o gás reagente é mudado na ordem:
metano > isobutano > amônia. Por exemplo, a amônia protonará fracamente moléculas básicas tais como
alcoóis e aminas.
1.1.2 Analisadores de massa
1.1.2.1 Quadrupolo
Figura 6 – Esquema de um quadrupolo simples
8
Figura 7 – Foto mostrando sistema GC/MS (cortesia PerkinElmer)
Um analisador de massa tipo quadrupolo consiste de quatro barras hiperbólicas e circulares (fig.8).
Figura 8 – Analisador de massa tipo quadrupolo.
Cada par de barras opostas são conectadas eletricamente e fornecidas voltagens de mesma magnitude
porém de polaridades diferentes. A voltagem aplicada em cada par consiste de uma corrente contínua (CC), U,
e uma componente de radiofreqüência (rf), Vcost. Valores típicos são varias centenas de volts para U, vários
milhares de volts para V, e megahertz para . Uma vez que o potencial total de cada barra é +(U + Vcost) ou
–( U + Vcost), o campo radiofreqüência alterna a polaridade da barra.
Os íons são acelerados ao longo do eixo z (~5 a 10eV) antes de entrar no espaço entre as barras do
quadrupolo onde eles experimentam um campo combinado resultante do potencial das barras. O cátion é
induzido para o pólo negativo e vice-versa; se o potencial muda de sinal antes da descarga do íon, o íon muda
de direção oscilando através das barras. O íon irá passar com sucesso através das barras ou será descartado
em função da CC e rf voltagem aplicada, como mostrado na figura 9 para íons de três diferentes massas; na
9
figura, o íon de massa m2 tem uma trajetória estável (podem passar através do quadrupolo) em valores U e V
situado dentro da curva ponteada.
Figura 9- Diagramas superpostos de estabilidade U por V para íons em ordem crescente de razão massa/carga. Rampeando os potenciais de DC e RF apropriadamente, somente os picos de cada diagrama individual serão interceptadas. Portanto, os íons serão emitidos seletivamente do filtro de massas quadrupolar sendo os íons mais leves primeiramente emitidos.
1.1.3 Detectores de Massa
Os íons com trajetórias estáveis que saem do filtro de massas quadrupolar são detectados de duas
formas: usando um Copo de Faraday (CF) ou um Multiplicador de Elétrons (ME). O CF é o detector mais
simples. Os íons positivos que saem do espectrômetro de massas entram no copo metálico que esta aterrado.
Quando os íons se chocam com as paredes do copo, os mesmos são neutralizados, absorvendo um elétron do
copo metálico, a perda de um elétron do copo metálico é medida por um amperímetro interposto entre o
copo e o terra. Portanto, quanto maior o número de íons que entram no copo, maior a corrente detectada.
Uma das melhores características do CF é a de que todos os íons são detectados com a mesma eficiência, de
acordo com suas massas. No entanto, o CF e limitado a baixas pressões e se torna impraticável abaixo de 10-9
Torr.
A baixas pressões, inferior a 10-9 Torr, o ME e um detector bastante preciso. O ME tem formato de
cone e os íons entram na boca do cone. A boca do cone é fortemente negativa, relativamente ao fundo do
cone, de tal forma que íons positivos são acelerados em direção a superfície do cone. Na medida em que
atingem a cone, as íons de velocidade alta ejetam elétrons da superfície do cone (Fig. 10).
Figura 10 - Multiplicadora de Elétrons (ME). Íons positivos atingem o interior do cone, próximo da boca do multiplicador de elétrons, liberando elétrons que são acelerados na direção do fim do cone devido a um gradiente negativo no cone. Os elétrons se chocam repetidamente com a superfície interna do cone, causando a emissão de mais elétrons. Esta multiplicação de elétrons causa a emissão de uma cascata de elétrons no final do cone. Os elétrons atingem o detector de tal forma que a corrente eletrônica é proporcional a corrente de íons que penetram a boca do cone.
10
Estes elétrons secundários são acelerados em direção ao fim do cone, se chocando com a superfície do
mesmo repetidamente e causando a liberação de mais elétrons da superfície do cone. Esta multiplicação do
número de elétrons causa a emissão de uma cascata de elétrons no fim do cone. O gradiente no cone e
ajustado de tal forma a manter um mínimo de 105 elétrons emitidos no fim do cone para cada íon que entra,
no entanto a cone pode liberar ate 108 elétrons por íon. A corrente eletrônica é amplificada para produzir uma
corrente elétrica ou sinal iônico que é proporcional à corrente iônica incidente no detector.
Uma vez que as potenciais DC e RF são rampeados a uma razão constante, o gráfico da variação
temporal da intensidade do sinal de CF ou ME produz um espectro de massas para as razões massa/ carga do
intervalo de varredura. Cada pico obtido pode ser relacionado a uma correspondente razão massa/ carga. Esta
conversão do eixo x de tempo para razão massa/carga só é válida na medida em que a razão de rampeamento
de U e V sejam conhecidas e possam ser referenciadas ao correspondente diagrama de estabilidade.
2 O cromatograma de íons totais e o espectro de massas
Nesta apostila iremos abordar algumas técnicas para a interpretação de espectros de massa. Através
de alguns passos iremos identificar uma boa quantidade de compostos, porém existem outros mecanismos de
fragmentação que não serão abordados.
Identificar uma molécula simples a partir de um espectro de massa obtido através do impacto
eletrônico (EI) é muito mais simples que outros tipos de espectro. O espectro de massas mostra a massa da
molécula em seus vários “cacos”, após ser quebrada.
É importante fazermos uma pequena revisão de alguns conceitos básicos de química para iniciarmos o
estudo.
Primeiramente vamos ver a aparência de um espectro de massas e entender como um espectro é
gerado a partir de um cromatograma.
11
Figura 11 – Cromatograma de íons totais (TIC) e espectro de massas
Como pode ser observado na figura 11, considerando que temos acoplado ao espectrômetro de
massas um cromatógrafo, uma amostra foi injetada e após aproximadamente 5 minutos, notamos 5 picos
formados a partir da soma das abundâncias dos fragmentos ionizados das moléculas de cada scan. A palavra
scan traduzida indica varredura, ou seja, em intervalos de tempo pre-programados o detector de massas
“varre” uma faixa de massas que pode variar de acordo com o interesse do estudo (ex. de 10 a 400 u). O
intervalo de tempo para cada scan pode atingir até 7 scans/segundo dependendo das condições de interesse
do método analítico. No exemplo da figura 6, no quadro abaixo, visualizamos o que chamamos de espectro de
massas, onde o primeiro composto apresenta fragmentos de 25 a 200 u. Este scan compreende ao instante em
que a abundância de íons é mais intensa, ou seja, na altura máxima do pico. Portanto, cada pico corresponde a
um composto distinto, previamente separado na coluna cromatográfica. O exemplo abaixo nos auxiliará na
visualização prática.
12
Gerando um cromatograma de íons totais
Massa/carga
Número do scan
1 2 3 4 5 6 7 8 9
42 3 1 16 87 238 144 10 2 3
72 95 94 91 106 114 83 98 87 112
82 7 5 78 482 1246 958 89 9 5
105 0 2 24 157 401 345 40 4 2
182 4 2 52 463 1438 1600 277 13 4
198 2 3 7 6 198 225 43 2 6
272 2 0 4 38 149 219 56 3 1
303 1 2 7 95 389 647 191 10 2
íons totais 114 109 279 1434 4173 4221 804 130 135
Soma dos íons totais vs. Número do scan
Na figura 12, é mostrado um espectro de massas simples da molécula do metano, onde pode ser
observado o íon molecular de massa 16, o íon 15 que corresponde ao CH3+. (perda de um hidrogênio), o íon 14
que corresponde ao CH2+. (perda de dois hidrogênios), o íon 13 correspondente a CH+. (perda de 3
hidrogênios), o íon 12 correspondente C+. (perda de 4 H´s) e finalmente o íon 17 que corresponde ao elemento
13
“A + 1” que está relacionado com a abundância isotópica do carbono, detalhes estes que serão vistos nos
tópicos subseqüentes.
Figura 12 – Espectro de massas para o metano.
2.1 Interpretação de espectro de massas
Objetivo: Determinar a identificação absoluta de um composto desconhecido unicamente a partir da
inspeção de seu espectro de massas.
Realidade: O uso do espectro de massas e outras informações podem limitar o número de possíveis
compostos de cerca de 10.000.000 para poucos. O grau de sucesso é em função da quantidade e qualidade da
informação disponível, bem como a habilidade do analista.
Objetivos:
Introduzir um acesso sistemático para interpretar um espectro de massas.
Introduzir e aplicar as ferramentas mais comuns de interpretação.
Aplicar o uso destas ferramentas para resolução de problemas.
Algumas nomenclaturas importantes no estudo de interpretação:
Pico base – é o pico mais abundante do espectro.
Íon molecular – íon com mesma massa nominal da molécula neutra
Pico parente – é o íon molecular
Massa – medida em daltons, anteriormente amu (unidade de massa atômica)
Razão massa/carga (m/z): refere-se à massa do íon.
Abundância absoluta - Resposta do sistema de detecção.
Abundância relativa – Pico base normalizado para 100%.
(mainlib) Methane10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
0
50
100
1213
14
15
16
17
H
H
H
H
14
2.1.1 Procedimento para Interpretação
2.1.2 Ferramentas para interpretação de espectros de massas
Nos próximos subitens iremos aprender melhor sobre estas ferramentas.
Espectro de massa Observar o aspecto geral do espectro
Identificar o íon molecular
Abundância isotópica
Regra do nitrogênio
Composição elementar Abundância isotópica Perdas lógicas de moléculas
Perdas lógicas de fragmentos
Anéis e dupla ligação
Características estruturais
Anéis e dupla ligação
Postular a estrutura molecular
Abundância
Isotópica
Anéis +
Dupla ligação
Perdas lógicas de fragmentos
Regra do nitrogênio
Perdas lógicas de
moléculas
15
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 1,1%CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 1,1%
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 1,1%
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 1,1%
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 1,1%
CH3 CH2 CH2 CH2 CH2 CH3 1,1%6,6
H2C CH C N
H2C CH C N
H2C CH C N
H2C CH C N
0,4%
1,1%
1,1%
1,1%
3,7
2.1.2.1 Abundância isotópica
Figura 13 – Tabela das abundâncias isotópicas dos elementos mais comuns.
ELEMENTOS “A”
1) Existem quatro elementos, comuns em análise por GC/MS que tem somente uma ocorrência natural, isótopo estável. Estes quatro elementos são: fósforo, flúor, hidrogênio, e iodo. Os pesos atômicos destes elementos são: 30,97, 18,99, 1,00 e 126,9, respectivamente.
2) Destes quatro elementos o hidrogênio é o mais comum. 3) A presença de iodo pode ser inferida a partir de alto peso molecular e perda de 126,9 u durante a
fragmentação. 4) Um elemento “A + 2” que é freqüentemente incluído como elemento “A” é o oxigênio. Isto é devido à
baixa abundância relativa de seu isótopo “A + 2”, que é somente 0,2 %. Esta baixa abundância relativa faz com que a determinação do número de átomos seja dificultada a partir da abundância isotópica.
ELEMENTOS “A + 1”
1) Existem dois elementos com um isótopo com uma unidade de massa a mais que o isótopo mais abundante. Estes elementos são carbono e nitrogênio.
2) A abundância de carbono 12, relativa para o carbono 13 é 1,1%. A abundância do nitrogênio 14, relativa para ao nitrogênio 15 é 0,37%.
Exemplo de Abundância isotópica para elementos “A + 1“ para o carbono
16 (mainlib) Cyclohexane, methyl-
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1100
50
100
27 39
41
53
55
69
83
98
elementos “A + 2”
1) Identifique o íon molecular e agrupamentos dos isótopos 2) Se a abundância “A + 2” for < 98% da abundância de “A” então não tem presença de bromo. 3) Se a abundância “A + 2” for < 33% da abundância de “A” então não tem presença de cloro 4) Se a abundância de “A + 2” é menor que 4,4% de “A” então não temos presença de enxofre. O enxofre
“A + 1” tem 0,8% de abundância. 5) Se a abundância de “A + 2” é menor que 3,4% de “A” então não temos presença de enxofre. Sílica “A +
1” tem 5,1% de abundância. A combinação das abundâncias de “A + 1” e “A + 2” identifica facilmente a presença de sílica.
2.1.2.2 Determinação de Íon Molecular
O íon molecular fornece a mais valiosa informação no espectro de massa; sua massa e composição elementar mostra os limites da molécula no qual os fragmentos indicados no espectro de massa devem ser explicados.
O íon molecular deverá ser o pico de maior massa no espectro (com exceção para o pico dos isótopos)
2.1.2.3 Regra do Nitrogênio
Uma molécula com número ímpar de átomos de nitrogênio terá peso molecular ímpar.
Íons nos quais resultam de uma fragmentação simples têm massas pares.
Moléculas com número par de átomos de nitrogênio (0 é um número par) têm peso molecular par.
Íons nos quais resultam de fragmentação simples têm massa ímpar.
(mainlib) Ethanamine, N-ethyl-10 20 30 40 50 60 70 80
0
50
100
15 26
29
30
3142
44
56
58
59
72
73
74
NH
17
2.1.2.4 Anéis e dupla ligação (A + D)
Devido à valência dos elementos envolvidos, o número total de anéis e duplas ligações em uma molécula de
fórmula CxHyNzOn deverá ser igual a A + D = 1Z21Y
21X ,
Onde:
X= carbono ou silício
Y= hidrogênio, flúor, cloro, bromo ou iodo
Z= nitrogênio ou fósforo
Para íons, o valor calculado poderá terminar em “0,5” (indicando que o número de elétrons é par). Como usar esta regra fica claro observando o exemplo abaixo:
Piridina – C5H5N anéis + dupla ligação X = 5 – 2,5 + 0,5 + 1 = 4
Piridina+. Número ímpar de elétrons
Benzoíla – C7H5O anéis + dupla ligação X = 7 – 2,5 + 1 = 5,5
C7H5CO+ número par de elétrons
O valor encontrado de 4 para a piridina representa o anel e três duplas ligações dessa molécula. O valor de 5,5 encontrado para a benzoíla mostra o anel, as três duplas ligações do benzeno, e a dupla ligação do grupo carbonila.
2.1.2.5 Perdas Lógicas de fragmentos
Somente um número limitado de fragmentos neutros de baixa massa que são perdidos na
decomposição do íon molecular. Estes fragmentos resultam da quebra de ligações simples.
Os fragmentos mais comuns são:
18
2.1.2.6 Perdas lógicas de moléculas
As perdas de moléculas neutras resultam em fragmentos no espectro de massas no qual o íon tem um
número de elétrons ímpar. A perda de uma molécula neutra pode somente ocorrer através de uma
“combinação” intramolecular do átomo via mecanismo de transferência e eliminação. Isto é menos comum
de ocorrer do que nos processos de fragmentação de ligações simples. A perda de molécula neutra a partir de
um íon molecular par, normalmente resulta em fragmento de massa par no espectro de massas.
2.1.2.7 Íons Comuns
Um número de grupos orgânicos funcionais produz fragmentos específicos. A observação destes
detalhes poderá ser útil na identificação dos possíveis grupos funcionais do composto desconhecido no
espectro de massas.
2.1.3 Guia para normalização das abundâncias
1. Selecione o íon molecular em potencial.
2. Se o íon selecionado não é o íon mais abundante no espectro (pico base) multiplique por
100/abundância relativa (fator de normalização – NF) do íon selecionado.
19
3. Multiplique a abundância isotópica pelo fator de normalização para determinar a abundância
relativa do íon selecionado.
4. O erro inerente na abundância isotópica medida é de +/-10% relativa ou 0,2 absoluta, qualquer
que seja o valor.
5. A magnitude do erro também deve ser multiplicada pelo fator de normalização durante o
processo.
6. Uma seleção apropriada do espectro deverá ser feita visando aumentar a abundância relativa
do íon selecionado, baseando-se nos parâmetros de aquisição, ou seja, o espectro selecionado
deverá ser o mais representativo possível.
Exemplo: C9H8O4
m/z Ab.Rel. Ab. Norm. NF
A 180 15,1 100 6,62
A + 1 181 1,5+/-0,2 9,9+/-1,3
A + 2 182 0,1+/-0,2 0,6+/-1,2
3 Exemplos de interpretação de espectros de massas 3.1 Composto desconhecido X
Acima são listados as abundâncias para os íons de maiores m/z para nos ajudar nos cálculos.
A primeira coisa a se fazer é determinar o íon molecular. A primeira vista o íon 87 parece ser
uma escolha razoável.
Sendo um número ímpar, indica a presença de quantidade ímpar de nitrogênio (regra do
nitrogênio).
A maior parte dos fragmentos é ímpar. Eles deveriam ser par se houvesse a presença de
nitrogênio.
20
Outro fator a considerar é que se 87 for o íon molecular é o tamanho do elemento “A + 1”.
Ele aparenta ser muito alto.
Se normalizarmos a abundância baseada no íon 87 teremos:
m/z Abun.Norm.
87 100
88 46,9
89 3,1
Isto implicaria dizer que existem cerca de 42 átomos de carbono, o que não é coerente para
um peso molecular de 87 u.
Tentaremos usar como peso molecular a massa 88.
Sendo uma massa par e a maioria dos fragmentos são ímpares.
Em seguida iremos fazer a normalização para o íon 88.
m/z Ab.Rel. Ab. Norm. NF Cn-1 Cn Cn+1
A 88 1,5 100 66,7
A + 1 89 0,1 6,7
88 aparenta ser um valor razoável. Vale lembrar que os valores podem ter desvio de 10%.
Seis carbonos parece ser a sugestão do elemento “A + 1”.
m/z Ab.Rel. Ab. Norm. NF Cn-1 Cn Cn+1
A 88 1,5 100 66,7 60 72 84
A + 1 89 0,1 6,7 5,5 6,6 7,7
Íon molecular proposto: 88
6 carbonos: -72
massa restante 16
- Possível formula molecular se limitada aos elementos associados com moléculas orgânicas:
C6H16 C6O
- O teste de anéis e dupla ligação deverá mostrar qual deverá ser o íon molecular.
21
X = 1Z21Y
21X
C6H16
1102
166
C6O
71006
O valor de –1 encontrado para C6H16 deveria indicar a ausência de anéis e dupla ligação. Na realidade
este valor indica um excesso de hidrogênios nesta estrutura. Para hidrocarbonetos saturados: CnH2n+2, se n=6,
o número máximo de hidrogênios deveria ser 14. Esta fórmula está errada.
O valor de 7 para C6O indica um altamente insaturado. Você poderá tentar de várias maneiras
encontrar uma estrutura razoável para esta fórmula, sem sucesso. A ausência de hidrogênios nesta fórmula
também sinaliza como sendo uma fórmula errada.
Voltando na planilha de normalização:
m/z Ab.Rel. Ab. Norm. NF C5 C6 C7
A 88 1,5 100 66,7 60 72 84
A + 1 89 0,1 6,7 5,5 6,6 7,7
Se C6 foi impossível, C7 deverá ser ainda mais. Vamos assumir 5 carbonos, mesmo sendo acima do
limite de 10%, ainda está na faixa de +/-0,2 absoluto.
Então agora:
Íon molecular proposto: 88
5 carbonos: -60
massa restante 28 Possíveis fórmulas: C5H28 (esta fórmula certamente está errada)
C5N2 (esta parece muito estranha, não tem H)
C5H12O (parece razoável)
Vamos para o teste dos anéis e dupla ligação:
C5H12O
0102
125X
22
O valor de zero encontrado indica um composto saturado e sem presença de anéis. Agora
verificaremos as as perdas lógicas e fragmentos comuns:
Estas características sugerem ser um álcool. Os íons 17 e 31 são fortes evidências. Temos também a
evidência de fragmentos C5, C4, C3, C2 e C1, isto indica uma cadeia linear. Assumiremos que seja o 1-pentanol e
vemos que os fragmentos fazem sentido.
23
3.2 Composto desconhecido Y
Primeiramente devemos identificar o íon molecular.
86 – se utilizarmos esta linha, não teremos informações do isótopo
85 – se esta linha for selecionada, então 86 também se mostra muito alto.
84 – esta linha parece mais razoável. Usaremos estes valores para normalização.
O elemento “A + 1” é 5,1% - massa par
Sendo 1,1% para cada carbono, indica que a estrutura deverá ter de 4 a 5 carbonos.
m/z Ab.Rel. Ab. Norm. NF Cn-1 Cn Cn+1
A 84 100 100 1
A + 1 85 5,1 5,1
A + 2 86 4,4 4,4
Baseando-se somente na primeira linha “A + 1”, poderíamos ficar como sendo 4 ou 5
carbonos, mas a linha “A + 2” deverá nos ajudar a realçar ainda mais as evidências.
m/z Ab.Rel. Ab. Norm. NF C3 C4 C5 A 84 100 100 1 36 48 60
A + 1 85 5,1 5,1 3,3 4,4 5,5 A + 2 86 4,4 4,4
Avaliando a tabela de abundância isotópica dos elementos “A + 2”
Elemento massa Ab.Rel. massa Ab.Rel. massa Ab.Rel. Classe O 15,9949 100 17,9992 0,2 A + 2 S 31,9720 100 32,9715 0,8 33,9679 4,4 A + 2 Cl 34,9989 100 36,9659 32,5 Br 78,9183 100 80,9163 98
Observando a linha do elemento “A + 2”, vemos que a abundância relativa do enxofre é de 4,4%, então
o enxofre é provavelmente o elemento presente. O enxofre também contribui com 0,8% na linha “A + 1”.
24
Se enxofre esta presente na estrutura, então C5S tem valor muito alto de massa e o elemento “A + 1” é
muito baixo para C3S. Assim, assumiremos que ele tem C4S.
m/z Ab.Rel. Ab. Norm. NF C3S C4S C5S A 84 100 100 1 68 80 92
A + 1 85 5,1 5,1 4,1 5,2 6,3 A + 2 86 4,4 4,4 4,4 4,4 4,4
Se nosso íon molecular é m/z 84 com 4 carbonos e um enxofre então:
Íon molecular 84
4 carbonos -48
1 enxofre -32
massa restante 4 (muito provavelmente 4 hidrogênios)
Formula potencial C4H4S
Agora faremos o teste para verificar se esta fórmula poderá ser o íon molecular:
Teste de anéis + dupla ligação (lembrando que oxigênio e enxofre não entram)
310244X
Com o resultado de anéis + dupla ligação de 3:
Sendo um valor inteiro, pode ser o íon molecular.
Nós poderíamos ter um anel, múltiplas ligações e até o grupo C=S.
Torna-se necessário agora analisarmos o espectro de massa para identificar as perdas lógicas para
associarmos as evidências.
25
m/z Perda lógica
26 C2H2
39 C3H3
45 CHS
52 C4H4
58 C2H2S
Não tem a presença de CH3 ou C2H5, então uma estimativa razoável seria de que existe a
presença de anel. Relembrando, Anéis + dupla ligação = 3
Tiofeno apresenta ser uma boa estimativa:
esta estrutura satisfaz a condição do teste de anéis + dupla ligação (3). Duas duplas e um
anel
Sabemos também que uma estrutura de anéis são bastante estáveis gerando íon
moleculares de grande intensidade.
Resta agora identificar os fragmentos do tiofeno na estrutura:
Com essas evidências, a probabilidade de espectro do composto ser o tiofeno é elevada.
3.3 Composto desconhecido Z
S
S S
S
39C3H3
CHS45
26C2H2
58C2H2S
52C4H4
32S
26
m/z Abundância 72 0,34 73 2,25 74 21,54 75 1,02
O íon 74 aparenta ser um candidato a nosso íon molecular.
Precisamos agora normalizar os dados.
m/z Ab.Rel. Ab. Norm. NF Cn-1 Cn Cn+1
A 74 21,54 100 4,64
A + 1 75 1,02 4,73
A + 2
Não existe o elemento “A + 2”. 4 carbonos parece um número razoável.
m/z Ab.Rel. Ab. Norm. NF C3 C4 C5
A 74 21,54 100 4,64 36 48 60
A + 1 75 1,02 4,73 3,3 4,4 5,5
A + 2
C4 ainda é um valor razoável. A linha “A + 1” é ainda um pouco alta.
Isto poderia indicar a presença de nitrogênio, mas o íon molecular é par e as outras maiores
linhas são todas ímpares.
Vamos fazer uma tentativa de distribuir estes carbonos.
Íon molecular 74
4 carbonos -48
massa restante 26
A massa restante de 26 é muito alta para ter a presença de 2 nitrogênios ou para serem
todos hidrogênios (máximo 10 se for saturado). Se o composto fosse saturado, teríamos
ainda 16 restantes. Poderia ser o oxigênio?
Íon molecular 74
4 carbonos -48
1 oxigênio -16
massa restante 10
Uma fórmula razoável a se propor é: C4H10O. Vejamos se ela passa no teste dos anéis +
dupla ligação:
0102
104X
27
Zero como resultado indica que ele pode ser o íon molecular e não tem presença de anéis
nem dupla ligação.
Nosso composto pode ser álcool ou éter. Aldeído ou cetona são descartados devido ao teste
acima.
C4H7F é também uma possibilidade, mas não existe a presença de 19 no espectro.
Considerando ainda que em GC/MS não é muito comum amostras contendo flúor.
Agora precisamos analisar o espectro e avaliar os fragmentos comuns e as perdas lógicas.
íons e perdas possíveis fragmentos
Somente os fragmentos contendo C, H e O foram considerados nas linhas maiores
Não vemos qualquer linha ou perda de 17, então o composto não parece ser um álcool.
Basicamente isto evidencia ser nosso composto um éter.
Existem algumas possibilidades, como podemos ver abaixo.
28
Os espectros de massa destes compostos apresentam basicamente as mesmas massas, porém o que
diferencia são as abundâncias de cada íon. Para definirmos qual destes é nosso composto em estudo,
precisaríamos estudar outros mecanismos de fragmentação, o que foge do escopo desta apostila. A resposta
correta para o composto é etoxietano.
4 Exercícios de Fixação
1) Qual é o princípio da espectrometria de massas?
2) Faça um desenho esquemático de um espectrômetro de massas.
3) Assinale no espectro de massa abaixo, os seguintes termos usuais em ionização por eletrônica: pico
base, pico do íon molecular, pico de fragmentos.
4) Identifique o composto acima.
5) O que vem a ser isótopo?
6) Complete o quadro abaixo
Composto Peso molecular Número de carbonos % “A + 1” Água 0,0
Metano 1,1 Etano 2,2
Propeno 3,3 Benzeno 6,6 Tolueno 7,7 Amônia 0,4
Ácido cianídrico 1,5 Dimetilamina 2,6
Pirrole 4,8 Piridina 5,9 Anilina 7,0
7) Descreva sucintamente a forma de normalizar as abundâncias isotópicas.
8) Descreva brevemente o funcionamento de analisador de massas do tipo quadrupolo.
29
9) Quais íons normalmente originados a partir de uma molécula neutra são identificados no detector
de massas?
10) Os espectros gerados a partir de EI apresentam baixo ou alto grau de fragmentação?
11) Explique a regra do nitrogênio.
12) Aplique a regra do nitrogênio para os compostos abaixo. (não é necessário calcular a massa
molecular – indique se é par ou ímpar)
Composição molecular Íon molecular é... C3H8 C6H12O2 C6H11NO
C32H25N3O2S
C8H20N2 C7H9N
C3H6BrN
C9H11ClN4O2 C17H32Cl2
13) Aplique a regra dos anéis e dupla ligação para os compostos abaixo.
Composição molecular a+d = C3H8 C6H12O2 C6H11NO C32H25N3O2S C8H20N2 C7H9N C3H6BrN C9H11ClN4O2 C17H32Cl2
14) Considere um radical formado a partir da quebra de um íon molecular par. A massa dos fragmentos
deverá ser par ou ímpar?
15) Dadas a seguintes informações espectrais, determine a fórmula do composto. Você deverá assumir
que o íon molecular é 84.
m/z Abundância (%)
84 100
85 6,7 +/-0,7
86 0,0 +/-0,2
( ) C5H8O
( ) C5H10N
( ) C6H10
( ) C6H12
30
16) Identifique o candidato a íon molecular que melhor se apresenta no espectro abaixo
17) Você está para identificar um composto no qual você sabe que ele pode conter somente carbono,
hidrogênio e cloro. Baseado nas informações abaixo indique quantos átomos de cloro existem neste
composto.
m/z Abundância
M 46500
M + 2 61800
M + 4 31000
M + 6 6700
M + 8 570
M + 10 10
18) Qual do átomos abaixo é um elemento “A + 2”
( ) carbono ( ) nitrogênio ( ) oxigênio ( ) fluor
19) Qual dos seguintes espectros abaixo é mais provável de ser um composto aromático? Justifique!
( ) espectro A ( ) espectro B ( ) nenhum deles ( ) não tem informação suficiente
( ) 62
( ) 64
( ) 98
( ) 100
( ) 102
( ) 1
( ) 2
( ) 3
( ) 4
( ) 5
( ) 6
31
20) Existe uma ordem em que os passos a serem seguidos na interpretação de espectros são
importantes. Enumere a ordem mais sensata a ser seguida.
( ) encontrar o íon molecular, se possível
( ) propor as possíveis estruturas
( ) determinar a composição elementar
( ) Avaliar a aparência geral do espectro
( ) obter um bom espectro
( ) identificar as características estruturais
21) Para o espectro abaixo, determine qual linha deverá representar uma perda lógica de +C4H9 a partir
do íon molecular 86.
22) Identifique o compostos abaixo:
a)
( ) 71
( ) 57
( ) 43
( ) 29
32
b)
c)
d)
74 –100%
75 – 4,62%
76 – 0,28%
m/z abun.
16 999
15 887
14 204
13 106
12 38
17 16