L.S. in Scienze e tecnologie alimentari Anno Accademico 2008/2009 Corso integrato:

L.S. in Scienze e tecnologie alimentariAnno Accademico 2008/2009

Corso integrato: Controllo delle modificazioni chimiche negli

alimenti (7 CFU)

Modulo di:Chimica analitica strumentale (4 CFU)

Giorgio Bonaga

72

43

57

29

20 30 40 50 60 70 80

100

60

20

2-butanone

H3CC

CH2CH3

O

rela

tive a

bundance

m/z

SPETTROMETRIA DI MASSA

SPETTRO MS

(CAS-7d)

Giorgio Bonaga

SPETTRO DI MASSASPETTRO DI MASSA

”MASS SPECTRUM”

Giorgio Bonaga

RISOLUZIONE

massa approssimata massa esatta

CO 28 27,9949 CH2=N+ 28 28,0047

N2 28 28,0061

C2H4 28 28,0313

Giorgio Bonaga

26,00 27,00 28,00 29,00 m/z26,00 27,00 29,00,99

C2H4CH2=N

+

,05,03,01

CO

28,00,97

N2

Giorgio Bonaga

M1 M2M

H

h

Giorgio Bonaga

Convenzionalmente sono separati quando l'altezza della valle tra i picchi h non supera il 10% della loro altezza H.

h 10 % H Il potere risolutivo o risoluzione R viene espresso perciò dalla relazione:

M1

MR =

Giorgio Bonaga

Esempio 1Qual‘é la risoluzione necessaria a separare i frammenti m/z 100 e m/z 101 ?

M1 = 100

M2 = 101

M = (101-100) = 1

100 = 100 1

M1

MR = =

Giorgio Bonaga

Esempio 2Qual‘é la risoluzione necessaria a separare i frammenti m/e 500 e m/e 501 ?

M1 = 500

M2 = 501

M = (501-500) = 1

500 500 1

M1

MR = = =

Giorgio Bonaga

Esempio 3Qual‘é la risoluzione necessaria per separare il frammento CO+ dal frammento N2

+ ?

CO+ = 27,9949

N2+ = 28,0061

M = 0,01124

27,9949 2490 0,01124

M1

MR = = =

Giorgio Bonaga

Esempio 4Qual'è la risoluzione necessaria per separare degli ioni di m/e 135 che nelle loro combinazioni elementari possono differire a livello della terza cifra decimale ?

M = 135M = 0,001

135 135.000 0,001

M1

MR = = =

Giorgio Bonaga

SENSIBILITA’

a) con il ”direct inlet” i campioni vengono introdotti in sorgente e pertanto l’inerzia del sistema garantisce la massima sensibilità, valutabile sulla base dell’intensità dello ione a m/z 298 generato da 1 pg (10-12 g) dello stearato di metile, intensità che dev’essere 100 volte (i = 100) superiore alla linea di base (”baseline”) dello spettro.Da due premesse:• resa in ioni (electron impact) = 1 . 10-6

• flusso molecolare in sorgente = 6 . 108 molecole/sec

si può dedurre:• resa ionica (ioni/sec) = 1 . 10-6 . 6 . 108 = 6 . 102 = 600

[600 ioni/sec = quantità minima per uno spettro]

All’ingresso dell’EM 600 ioni producono una corrente di I 6 . 10-17 A

Giorgio Bonaga

Esempio 1Calcolare se 1 pg di stearato di metile fornisce uno spettro di massa interpretabile.

CH3(CH2) 16COOCH3

[mol wt = 298 300]

1 mole = 6 . 1023molecole

1 pg = 6 . 1023 = 2 . 109 molecole . 1 . 10-6ioni/sec 300 . 1012

= 2 . 103 ioni/sec = 2000 ioni/sec

[2000 ioni/sec > 600 ioni/sec]

Giorgio Bonaga

Esempio 2Calcolare se 1 pg di tomidina fornisce uno spettro di massa interpretabile.

C50H83NO21 [mol wt = 1034 1000]

1 mole = 6 . 1023molecole

1 pg = 6 . 1023 = 6 . 108 molecole . 1 .

10-6ioni/sec

1000 . 1012

= 6 . 102 ioni/sec = 600 ioni/sec

[600 ioni/sec = 600 ioni/sec]

Giorgio Bonaga

b) quando lo spettrometro è accoppiato ad un sistema di introduzione dinamico (GC, LC, ecc.), la diminuzione di sensibilità non è prevedibile dal punto di vista teorico (dato il grande numero di variabili che dipendono da sistemi di introduzione tutt’altro che inerti), ma può essere determinata mediante ”test” nei quali la sensibilità viene espressa dal rapporto tra il ”segnale” fornito dagli ioni e il “rumore” dovuto al sistema dinamico (”signal/noise” = S/N), naturalmente a valori definiti di risoluzione e di velocità di scansione.In generale, uno spettrometro di massa accoppiato alla GC, con sorgente EI, con analizzatore magnetico e alla velocità di scansione di 1,5 sec/decade, fornisce un S/N 10 (i = 10) per lo ione a m/z 298 generato da 100 pg di stearato di metile (10-10g), cioè con una sensibilità pari ad 1/1.000 (102pg x101i) rispetto quella che si può avere con l'introduzione diretta in sorgente.

Giorgio Bonaga

y

x

abbondanza

(“re

lati

ve inte

nsi

ty”)

0 16012080m/z

40 200

Giorgio Bonaga

CONTEGGIO (assegnazione di valori m/z noti)

H2O+ = m/z 18

N2+ = m/z 28

O2+ = m/z 32

Ar+ = m/z 40 CO2

+ = m/z 44

Giorgio Bonaga

NF9C4

CF7C3

F9C4

NF9C4

CF

F

m/z 671 (NO PEAK !)

F9C4N

C4F9

C4F9

mol wt 671

(F9C4)3N

F3C

.

F9C4 +++ +

+

m/z 69 m/z 219 m/z 414 m/z 502

(100%) (60%) (1,0%) (0,6%)

Giorgio Bonaga

m/z 414(1%)

m/z 219(60%)

m/z 502(0,6%)

m/z 69(100%)

F C

F

F

C

F

FC

F

FC

F

F N

CF F

CF F

CF F

F

CF F

F C

F

F

C

F

FC

F

FC

F

FN

CC

F

F

CF

F

F

C

F

F

C

F

FC

F

FC

F

F

+

+

C

F

FF

+

+69

219

414 502

x 10

Giorgio Bonaga

Mass marker

S

N100bobina

rotante

Giorgio Bonaga

Spettro di massa dell’anilina in tre scale di sensibilità

39 51 66 77 93

40 50 60 70 90

40 50 60 70 90

40 50 60 70 90m/z

m/z

m/z

Giorgio Bonaga

m++ 38,5(77/2)

m++ 46,5(93/2)

m* 45,9(92 65)

m* 46,8(93 66)

PARTICOLARITA’ DELLO SPETTRO

SPETTROMETRI A BASSA RISOLUZIONE.

es.: CH3-OH+. = m/z 32

SPETTROMETRI AD ALTA RISOLUZIONE

es.: CH3-OH+. = m/z 32,026214

Giorgio Bonaga

1. IONE MOLECOLARE2. IONI MULTIPLI

Giorgio Bonaga

Masse e composizioni isotopiche di elementi comuni nelle molecole organiche

elementopeso

atomiconuclidi massa esatta

% abbondanz

aassoluta

% abbondanza

relativa

idrogeno 1,007971H2H

1,007825 2,014102

99,99 0,01

1000,016

carbonio 12,0111512C13C

12,00000013,003354

98,9 1,1

1001,08

azoto 14,0067014N15N

14,00307015,000108

99,6 0,4

1000,36

ossigeno 15,9994016O18O

15,99491517,99916

99,8 0,2

1000,24

fluoro 18,99840 19F 18,998405 100 100

silicio 28,08600

28Si29Si30Si

27,97692928,97649229,973758

92,2 4,7 3,1

1005,073.31

fosforo 30,97380 31P 30,973764 100 100

Gio

rgio

Bonaga

zolfo 32,45300 32S33S34S

31,97207332,97146333,968853

95 0,7 4,2

1000,784,39

cloro 35,45300 35Cl37Cl

34,96885136,965903

75,524,5

10032,7

bromo 79,90900 79Br81Br

78,91832980,916344

50,545,5

10097,5

iodio 126,90400 127I 126,904662 100 100

cloro 35,4530035Cl37Cl

34,96885115,000108

75,524,5

10032,7

bromo 79,9090079Br81Br

78,91832917,99916

50,545,5

10097,5

iodio 126,90400 127I 126,904662 100 100

Giorgio Bonaga

CARBONIO

m/z 0 10 20

%100

50

CH4

16

17

m/z 80 90 100

%100

50

93

94

NH2

Giorgio Bonaga

N° atomi di C = % [M+1]

1,1

Giorgio Bonaga

CLOROL'intensità relativa dei multipletti dovuti ai nuclidi del cloro si ottiene dallo sviluppo del binomio:

(a+b)n

a = abbondanza relativa del nuclide 35Cl (~ 75%)b = abbondanza relativa del nuclide 37Cl (~ 25%)n = numero degli atomi di Cl nel composto

n = 1 (0,75+0,25)1 = 3:1n = 2 (0,75+0,25)2 = 9:6:1n = 3 (0,75+0,25)3 = 27:27:9:1n = 4 (0,75+0,25)4 = 81:108:54:12:1

Giorgio Bonaga

6020

6126

27

64

62

H2C CH Cl

%

m/z

50

100

Giorgio Bonaga

150

148

146

113

111

7550

15010050

Cl

C l

%

50

100

m/z

Giorgio Bonaga

124

122

120118

87

8583

100

%

50

100

m/z 50

3537

CHC l3

Giorgio Bonaga

CCl4

150100

%

50

100

m/z 50

3537

119117 121

123

152

154

156

158160

Giorgio Bonaga

BROMOL'intensità dei multipletti dovuti ai nuclidi del bromo si ottiene dallo sviluppo del binomio:

(c+d)m

c = abbondanza relativa del nuclide 79Br (50,5%)d = abbondanza relativa del nuclide 81Br (49,5%)m = numero degli atomi di Br nel composto

n = 1 (0,5+0,5)1 = 1:1n = 2 (0,5+0,5)2 = 1:2:1n = 3 (0,5+0,5)3 = 1:3:3:1n = 4 (0,5+0,5)4 = 1:4:4:6:1

Giorgio Bonaga

8179

108106

26

27

H2C CH Br

20 10060

%

m/z

50

100

Giorgio Bonaga

Giorgio Bonaga

238

236

234

157155

250200150

%

50

100

m/z

Br

Br

m/z

100

50

%

150 200 250

171

173

175

250252 254

256

CHBr3

Giorgio Bonaga

CLORO E BROMOIn una molecola che contiene atomi di cloro e di bromo, la combinazione e la distribuzione isotopica negli ioni si ottiene dalla risoluzione del prodotto dei binomi relativi al cloro (a e b) presente in n atomi e al bromo (c e d) presente in m atomi:

(a+b)n . (c+d)m

Giorgio Bonaga

262

260

258256

254

270250

%

50

100

m/z

HC CHCl

Br

Br

Cl

Giorgio Bonaga

Br

CH

Cl

CH

Cl

Br

Gli ioni a m/z 255, 257, 259, 261 e 263 (appena percettibili) sono picchi isotopici del 13C.

35Cl35Cl79Br81Br = 18 m/z = 256

35Cl35Cl79Br79Br = 9 m/z = 254

35Cl35Cl81Br81Br = 9 m/z = 25835Cl37Cl79Br79Br = 6 m/z = 256

35Cl37Cl79Br81Br = 12 m/z = 258

35Cl37Cl81Br81Br = 6 m/z = 260

37Cl37Cl79Br79Br = 1 m/z = 258

37Cl37Cl79Br81Br = 2 m/z = 260

37Cl37Cl81Br81Br = 1 m/z = 262

m/z 254 = 9%

m/z 256 = (18+6) = 24%

m/z 258 = (9+12+1) = 22%

m/z 260 = (6+2) = 8%

m/z 262 = 1%

Giorgio Bonaga

27

25

47

64

62

6020

%

50

100

m/z

45

29

15

Giorgio Bonaga

CH3 CH2 SH

3. IONI METASTABILI

++

SORGENTE

BAD

tratto privodi campi

campomagnetico

campoelettrico

++++ *

MAGNETE

++*

Giorgio Bonaga

C

Il risultato è che questo ione viene rivelato e registrato ad un valore m/z inferiore a quello che gli competerebbe. Si tratta perciò di una transizione metastabile:

*

m1

+ m2+

+ pn

che produce uno ione metastabile m*, la cui posizione nello spettro è data dalla relazione:

m* = [m2+]2/m1

+

Questa relazione è la conseguenza stessa delle equazioni fondamentali della MS magnetica:

zV = mv2/2 (25) mv2/r = Hzv (26)

Giorgio Bonaga

Applicando la (25) allo ione-padre m1+ si ha:

zV = m1v1

2/2

da cui:

Nella zona priva di campo lo ione-figlio m2+, che si forma per la

transizione metastabile, viaggia verso il settore magnetico con la stessa velocità v1 dello ione-padre m1

+; esso subirà pertanto una deflessione magnetica deducibile dalla (26) :

1mv1 = 2 zV (27)

m2v12/r = Hzv1

m2v1 = Hzr

Sostituendo a v1 il valore trovato con la (27): Giorgio Bonaga

1m

elevando tutto al quadrato:

m22 . 2 zV = H2z2r2

m1

da cui:m2

2 / m1 = H2r2

z 2V

m2 2 zV =

Hzr

Giorgio Bonaga

Esempio 1: anilina (mol wt 93)• in sorgente: picco nello spettro: m/z 93

m/z 66

• nel tratto BC: picco nello spettro:

m/z 46,8

m* = 662 = 46,8 93

M + e M + 2e.++

M [M - HCN]. .+

M [M - HCN].+.+

Giorgio Bonaga

Esempio 2: acetofenone (mol wt 120)

• in sorgente: picco nello spettro: m/z 120

m/z 105 m/z 77

• nel tratto BC picco nello spettro m/z 56,5

m* = 772 = 56,5 105

+[M - 15] [M - 15 - CO]+

M + e M + 2e.++

M [M - 15]. +

+[M - 15] [M - 15 - CO]+

Giorgio Bonaga

4. IONI A CARICA MULTIPLA

M + e M++ + 3e (poco probabile) M + e M+++ + 4e (molto improbabile)

Giorgio Bonaga

Esempio 2: fenolo

Esempio 1: anilina

Esempio 3: aldeide benzoica

Giorgio Bonaga

m/z 46,5

+

++

+

++

++NH2NH2NH2 NH2

mol wt 93

NH2

m/z 47mol wt 94

OH ++OH

+

+

OH OH

+

+ +

+

OH

m/z 53mol wt 106

CO H

CHO+

+

CHO

+

+

CHO

+

+C

O H

+

+

5. FRAMMENTI CARATTERISTICI

OSSIGENO

M-18 : perdita di . H2O

M-28 : perdita di . CO

M-31 : perdita di . OCH3

M-45 : perdita di . COOH

M-59 : perdita di . COOCH3

AZOTOM-27 : perdita di HCN

M-16 : perdita di . NH2 (ammidi)Giorgio Bonaga

6. CALCOLO DELLE INSATURAZIONI E/O DEGLI ANELLI

CxHyNzOn

C elementi tetravalenti (carbonio, silicio)H elementi monovalenti (idrogeno, alogeni)N elementi trivalenti (azoto, fosforo) O elementi bivalenti (zolfo)

n° insat. e/o anelli = x - 1 y + 1 z + 1 2 2

Giorgio Bonaga

Esempio 1: nitrobenzene C6H5NO2

6 - 1 5 + 1 1 + 1 = 5 (4 insaturazioni + 1 anello) 2 2

Esempio 2: 4-(1-propen-1-il)acetofenone C11H12O2

11 - 1 12 + 1 = 6 (5 insaturazioni + 1 anello) 2

NO O

-+

CO CH3

CH CH CH3

Giorgio Bonaga

INTERPRETAZIONE INTERPRETAZIONE DELLO SPETTRODELLO SPETTRO

”MASS SPECTRUM INTERPRETATION”

Giorgio Bonaga

E = Et + Eel

E IEE >> IE

Giorgio Bonaga

A B B O N D A N Z A D I M +.

100-50 % 50-10 % 10-0 %

Idrocarburi aromatici Alcheni AlcaniEterociclici aromatici Ammidi EsteriCicloalcani Chetoni Alogenuri alchiliciR-SH Aldeidi Alcoli alifaticiR-S-R Eteri Nitrili alifaticiAr-F Ar-BrAr-Cl Ar-IAr-CN Ar-CO-R

Giorgio Bonaga

SIMBOLOGIA DELLE SPECIE CHIMICHE

[ep] = molecola neutra ad elettroni

pari

[ed] +. = radicale-ione ad elettroni

dispari

[ed] . = radicale ad elettroni dispari

[ep] + = ione ad elettroni pari

Giorgio Bonaga

1. REAZIONE DI IONIZZAZIONE

[ep] + e [ed] + . + 2e ([ed] + . = M +

. )

[ep] + e [ed] + + + 3e ([ed] + + = M + +)

2. REAZIONI DI DECOMPOSIZIONE PRIMARIA

a. [ed] + . [ep] + + [ed] . reazione di scissione

b. [ed] +

. [ed ] + . + [ep] reazione di trasposizione

3. REAZIONI DI DECOMPOSIZIONE SECONDARIA

c. [ed] + . [ep] + + [ed]

. reazione di scissione

d. [ed] + . [ed] + . + [ep] reazione di

trasposizione

e. [ep] + [ep] + + [ep]

f. [ep] + [ed ] + . + [ed]

.

4. REAZIONI IONE-MOLECOLA

g. [ed] + . + [ep] [ep] + + [ed]

.

h. [ed] + . + [ed]

. [ep] + + [ep]

Giorgio Bonaga

AE - IE = Eatt

Giorgio Bonaga

PROBABILITÀ DI FORMAZIONE DEGLI IONI IN TERMINI ENERGETICI (70 eV)

reazioni di I^ ionizzazione > reazioni di trasposizione > reazioni di scissione > reazioni di

II^ ionizzazione

Giorgio Bonaga

0

2

4

6

8

10

12

14

16

eV

[M] + . m/z 79

[M-1] + m/z 78

[M] + + m/z 39,5

(x 10)

N+

N

.+

N

++

ione molecolare

ione della scissione

C - H

ione a doppia carica

Giorgio Bonaga

PROBABILITÀ REALE DI FORMAZIONE DEGLI IONI (70 eV)

reazioni di I^ ionizzazione > reazioni di scissione > reazioni di trasposizione > reazioni di II^

ionizzazione

Giorgio Bonaga

M - OH - CO.

+

M - OH. +

+.M

eV

numero di ioni

17,515,012,510,0

Giorgio Bonaga

122

105

77

51

0

0

%

50

100

m/e15010050

Giorgio Bonaga

1. vm > 10-5 sec: M+ arriva al collettore ed è visibile nello spettro di massa

2. vm = 10-5-10-6 sec: M+ si decompone lungo il percorso e forma m*

3. vm < 10-6 sec: M+ si decompone in

sorgente e forma m+

Giorgio Bonaga

+

.

+.- H

m/z 106 m/z 105

CO

CO H

. ++.

m/z 94 m/z 76

- H2O

OH

H

.+

+.

- CH3

m/z 106 m/z 91

CH2

CH3

OCOCH3

.-

+

+.

m/z 136 m/z 77

C

OCH3O

Giorgio Bonaga

Frammenti neutri espulsi dallo ione molecolare

m/zGruppo

associabileDeduzioni strutturali possibili

M-1 H aldeidi

M-2 H2 -

da M-3 a M-13 frammenti di massa non attendibili

M-14 - CH2 - serie omologa

M-15 CH3 composti contenenti sostituenti -CH3

M-16 O nitrobenzeni, solfossidi

M-16 NH2 arilsolfonammidi, carbossiammidi

M-17 OH composti contenenti sostituenti -OH

M-17 NH3 -

M-18 H2O alcoli, aldeidi, chetoni, ecc.

Gio

rgio

Bonaga

M-19 F fluoruri

M-20 HF fluoruri


M-26 C2H2 idrocarburi aromatici

M-27 HCN nitrili aromatici, eterociclici azotati

M-28 CO carbonili, chinoni

M-28 C2H4 esteri etilici, n-propil chetoni

M-29 C2H5 etil chetoni, n-propil benzeni

M-29 CHO -

M-30 C2H6 -

M-30 CH2O esteri metilici aromatici

M-30 NO nitrobenzeni

M-31 CH3O esteri metilici

M-32 CH3OH esteri metilici

Gio

rgio

Bonaga

M-32 S -

M-33 H2O + CH3 -

M-33 HS - tioli

M-34 H2S tioli


M-41 C3H5 esteri propilici

M-42 CH2CO metil chetoni, acetati aromatici, acetilammine aromatiche

M-42 C3H6n- e iso-butil chetoni, propileteri

aromatici, n-butil benzeni

M-43 C3H7 propil chetoni, n-butil benzeni

M-43 CH3CO metil chetoni

M-44 CO2 anidridi, esteri (riarrangiamento)

M-44 C3H8 -

M-45 COOH acidi carbossilici

Gio

rgio

Bonaga

M-45 C2H5O esteri etilici

M-46 C2H5OH esteri etilici

M-46 NO2nitrobenzeni


M-55 C4H7esteri butilici

M-56 C4H8n- e iso-amilbenzeni, n- e iso-butossibenzeni, amil chetoni

M-57 C4H9butil chetoni

M-57 C2H5CO etil chetoni

M-58 C4H10-

M-59 CH3COO esteri

M-60 CH3COOH acetati

Gio

rgio

Bonaga

Masse Formula Deduzioni strutturali

1 15 29 43 .CnH2n + 1alcani ramificati

15 31 59 .CH3, .OCH3,

.COOCH3esteri metilici

1 29 43 .H, .CHO, .CH2CHO aldeidi

28 42 56 CO, CH2CO, 2CO chetoni ciclici

18 36 46 H2O, 2H2O, H2O+C2H4 alcoli primari

16 44 .NH2, .CONH2

ammidi

16 30 44 O, NO, NO2 nitroderivati

1 17 45 .H, .OH, .COOH acidi carbossilici

19 33 50 .F, .CH2F, .CF2organofluorurati

33 36 63 .Cl, HCl, .CH2CH2Cl cloroderivati

32 33 47 S, HS., CH2S .

solfoderivati

Serie di frammenti neutriG

iorg

io B

onaga

m/z FormulaDeduzioni strutturali

15 29 43 57 71 85 99 113

CnH2n + 1 alcani

27 41 55 69 83 97 CnH2n - 1 alcheni, cicloalcani

39 53 67 81 95 109 CnH2n - 3 alchini, dieni

31 45 59 73 87 101 CnH2n + 1O alcoli, eteri

30 44 58 72 86 100 CnH2n + 2N ammine alifatiche

44 58 72 86 100 CnH2n + 2NCO ammidi, urea

29 43 57 71 85 99 CnH2n + 1CO composti carbonilici saturi

61 75 89 103 117 CnH2n + 1O2 esteri carbossilici

63 77 91 105 119 133

C6H5CnH2n fenilalchili

Serie di frammenti carichiG

iorg

io B

onaga

m/z Formula Deduzioni strutturali

15 CH3 + -

18 H2O + . -

19 – 25 ioni frammento di massanon significativa

26 C2H2+ . -

27 C2H3 + . -

28 CO + ., C2H4+ ., N2

+ . -

29 CHO + ., C2H5 + -

30 CH2=NH2 + ammine primarie ?

31 CH2=OH + alcol primari ?

32 – 35 ioni frammento di massa non significativa

36/38 (3:1) HCl + . -

39 C3H3 + -

40 Ar + ., C2H4 + . -

Ioni frammento più comuniG

iorg

io B

onaga

41 C2H5 +

42 C2H2O + ., C3H6 + . -

43 CH3 CO + CH3 COX

43 C3H7+ C3H7X

44 C2H6 N + alcune ammine alifatiche

44 O=C=NH2 + ammidi primarie

44 CO2 + . ,C2H8

+ . -

44 CH2=CH(OH) + . alcune aldeidi

45CH2=OCH3

+

CH3CH=OH + alcuni eteri e alcol

46 ione frammento di massa non significativa

47 CH2 =SH + tioli alifatici

49/51(3:1) CH2Cl + -

50 C4H2 + . composti aromatici

51 C4H3 + . C6H5 X

52-54 ioni frammento di massa non significativa

Gio

rgio

Bonaga

55 C4H7+ -

56 C4H8 + . -

57 C4H9 + C4H9 X

57 C2H5CO + etil chetone, esteri

dell’acido propionico

58 CH2=C(OH) CH3+ .

alcuni metil chetonialcuni dialchil chetoni

58 C3H8N + alcune ammine alifatiche

59 COOCH3 + esteri metilici

59 CH2 =C(OH)NH2 + . alcune ammidi primarie

59 C2H5CH=OH + C2H5CH(OH)-X

59 CH2=O-C2H5 + alcuni eteri

60 CH2=C(OH)OH + . alcuni acidi carbossilici

61 CH2CH2SH + tioli alifatici

61 CH3CO(OH2 ) + CH3 COOCnH2n+1


Gio

rgio

Bonaga

66 H2S2 + dialchil disolfuri

68 CH2CH2CH2CN + -

69 CF3 + -

69 C5H9 + -

70 C5H10 + . -

71 C5H11 + C5H11X

71 C3H7 CO +

propil chetoneesteri dell’acido

butirrico

72 CH2=C(OH) C2H5 + . alcuni etil alchil chetoni

72 C3H7 CH=NH2+ alcune ammine

73 C4H9 O + -

73 COOC2H5 + esteri etilici

73 (CH3)3Si + (CH3)3SiX

74CH2=C(OH)OCH3 + . alcuni esteri metilici

75 (CH3)3Si=OH + (CH3)3SiOX

75 C2H5 CO(OH2 ) + C2H5 COOCnH2n+1

Gio

rgio

Bonaga

76 C6H4 + . C6H5X

XC6H4Y

77 C6H5 + C6H5X

78 C6H6 + . C6H5X

79 C6H7 + C6H5X

79/81 (1:1) Br + -

80/82 (1:1) HBr + . -

80 C5H6N +

81 C5H5O +

83/85/87 CHCl2 + CHCl3

85 C6H13 + C6H13X

85 C4H9 CO + C4H9 COX

85

N

CH2 X

N

H

CH2X

O

CH2X

O+ O X

Gio

rgio

Bonaga

85

86CH2=C(OH) C3H7 + . alcuni propil alchil

chetoni

86 C4H9 CH=NH2 + alcune ammine

87 XCH2CH2COOCH3


91 C7H7 + C6H5 CH2X

92C7H8 + . C6H5 CH2 alchil

92 C6H6 N +

91/93 (3:1) n-alchil cloruri (> esil)

93/95 (1:1) CH2Br + -

O O+ O OX

N

CH2X

C H2 CH COH

OCH3

+

Cl+

Gio

rgio

Bonaga

94

95

95C6H7O +

97C5H5S +

99

99

105 C6H5CO + C6H5COX

105 C8H9 + CH3-C6H4CH2X

N

H

+C O C O X

N

H

C O+

O O

C O X

O

CH2XH3C

CH2X

S

O

O+

O

O

O O+

OX O

Gio

rgio

Bonaga

106 C7H8N +

107 C7H7O +

107/109 (1:1)

C2H4Br + -

111

121 C8H9O +

122123

C6H5COOH +

C6H5COOH2 +

alchil benzoati

127 I + -

128 HI + -

135/137 (1:1)

n-alchil bromuri

N

CH2XH3C

CH2XHO

C O X

SS

C O+

CH3OCH2X

Br+

Gio

rgio

Bonaga

130 C9H8N +

141 CH2I + -

147 -

149 dialchil ftalati

160 C10H10NO +

190 C11H12NO2 +

N

H

CH2X

(CH3)2Si O Si(CH3)3+

C

C

O

O

OH+

N

H

CH3O CH2X

CH2X

N

H

CH3O

CH3O

Gio

rgio

Bonaga

Esempio A: n-nonano (mol wt = 128)

serie di frammenti carichi: 15, 29, 43, 57, 71, 85, 99, 113serie di frammenti neutri: 113, 99, 85, 71, 57, 43, 29, 15

128

113

99

85

71

57

43

29

15CH3

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH3

Giorgio Bonaga

Esempio B: 1-nonene (mol wt = 126)

serie di frammenti carichi: 27, 41, 55, 69, 83, 97, 111serie di frammenti neutri: 99, 85, 71, 57, 43, 29, 15

27

41

55

69

83

97

111

126CH2

CHCH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH3

Giorgio Bonaga

Esempio C: 1-nonino (mol wt = 124)

serie di frammenti carichi: 39, 53, 67, 81, 95, 109serie di frammenti neutri: 85, 71, 57, 43, 29, 15

39

53

67

81

95

109

124HC

CCH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH3

Giorgio Bonaga

Esempio D: 1-eptilammina (mol wt = 115)


H2NCH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH3

30

44

58

72

86

100

115

Giorgio Bonaga

Esempio E: n-capronammide (mol wt = 115)

serie di frammenti carichi: 44, 58, 72, 86, 100serie di frammenti neutri: 71, 57, 43, 29, 15

CO

NH2

CH2

CH2CH2

CH2CH3

44

58

72

86

100

115

Giorgio Bonaga

Esempio F: 1-eptanolo (mol wt = 116)


HOCH2

CH2CH2

CH2CH2

CH2CH3

31

45

59

73

87

101

116

Giorgio Bonaga

Esempio G: 1-fenilpentano (mol wt = 148)

serie di frammenti carichi: 51, 63, 77, 91, 105, 119, 133serie di frammenti neutri: (26),(14), 71, 57, 43, 29, 15

m/z 51

m/z 63-

C4H3+

C5 H3+

CH2

m/z 77 m/z 91(ione tropilio)

+

trasposizione

CH2CH2

CH2CH2

CH391

105

119

133

148

-C2H2

- CH2+

Giorgio Bonaga

Esempio H: S-metil-1-tiociclopentano (mol wt = 116)

serie di frammenti carichi: 45, 59, 73, 87, 101serie di frammenti neutri: 14, 14, 14, 14, 15

4559

73 87

101

116H

H

H

HH

HS

HH

CH3

H

Giorgio Bonaga

1. EFFETTO INDUTTIVO

2,2-dimetilbutano (mol wt 86)

.+

CH3CH3C

CH3

.+

+ CH2 CH3

CH2 CH3++

.CH3CH3C

CH3

a)

b)CH3

H3C C

CH3CH3CH2

+I

.

n- propilcloruro (mol wt 58)

metiletiletere (mol wt 74)

CH2CH3 CH2 Cl.+

CH2CH3 CH2 ++

Cl.

- I

++CH2CH3 CH2

.+O CH3CH2CH3 CH2 CH3O

- I .

Giorgio Bonaga

2. COMPARTECIPAZIONE DI ELETTRONI VICINI propilammina (mol wt 59)

n-propanolo (mol wt 60)

propantiolo (mol wt 76)

3-amminopropanolo (mol wr 75)

ione "immonio"

+

+CH2CH3 CH2 NH2

+CH2CH3 CH2 NH2

..

++CH2CH3 CH2 OH

+CH2CH3 CH2 OH

ione "ossonio"

..

+CH2CH3 CH2 SH+

CH2CH3 CH2 SH

ione "solfonio"

+. .

+

++

a)

b)

++

CH2 OH

CH2

CH2 NH2

CH2 OH CH2 CH2 NH2

m/z 31

CH2 NH2 CH2 CH2 OHm/z 30

.

.

.

Giorgio Bonaga

3. EFFETTO DI RISONANZA

1-butene (mol wt 56)

etilbenzene (mol wt 58)

++ +CHCH2 CH2CH2 CH CH2 CHCH2 CH2

+

ione "benzile"

+

CH2

CH3 +CH2

CH3

ione "tropilio"

+

..

++

a)

b)

++

CH2 CH CH2 CH3

+CH2 CH CH2 CH3

CH2 CH CH2 CH3

..

.

Giorgio Bonaga

propanone (mol wt 58)

. ++

ione "acilio"

+CH3C

CH3

O

C OCH3

CH3CCH3 O

+

.

Giorgio Bonaga

a) Reazioni di scissione

S3)

S2)

S1)

+C C C C

+

C C C C+

C C+C++C C C

++ XC+

C X.

.

+

R++' YCR

+' C Y

R

R

C

C+

+C

C

S5)

S6)

S7) Rotture multiple

.

.

S4) R++

' XC

H

R+

' C X

R

R

H

. .

. .

. .

Giorgio Bonaga

S1 = rottura alchilica

C X+

C X+ +. .

S2 = rottura olefinica

Esempio

C C C+ +C + C C

ione n-ottile

Cl

ione n-decilecloruro di n-decile

C7H15 C

H

H

++C7H15 C

H

H

C

H

H

C

H

H

C7H15 C

H

H

C

H

H

C

H

H

Cl C CH

H

H

H++.

+

acetilene

S1 S2.

Giorgio Bonaga

S3 = rottura allilica o benzilica

Esempio

ione tropilio

Cl

ione benzilecloruro di benzile

+

.+

CH2

Cl

CH2

+

S3+.

+C7H15 C

H

C

H

C

H

H

Cl

ione eptilallile

C7H15 C

H

C

H

C

H

H

cloruro di 2-decenile

++Cl C7H15 C

H

H

H

C

H

CS3. .

Giorgio Bonaga

S4 = rottura in all’eteroatomo saturo

Esempio

+

2-bromoesano

+

+C4H9 C

CH3

H

Br C4H9 C

H

BrCH3

ione pentilbromonio

S4

..

S5 = rottura in all’eteroatomo insaturo

Esempio

++

3-butanone

+

ione acilio

CH3CH2C

CH2CH3

O

CH3CH2 C OS5

CH2CH3

S2

CH3CH2++ C O

. .

......

Giorgio Bonaga

S6 = rottura di retro Diels-Alder

Esempio

S6

+

+

+

1,2,4,5-tetrametilcicloesene 2,3-dimetil-1,3-butadiene 2-butene

C

C C

CH3C

H3C

CH3

CH3

CH3C

CH3C

C CH3

CH3

C

..

Giorgio Bonaga

S7 = rotture multiple

Esempio

++ +

cicloesano

S7 S7 +. .

.

++S7

C5H5C2H2

S7C3H3

m/z 91 m/z 65 m/z 39

C2H2++ +

ione tropilio

Giorgio Bonaga

b) Reazioni di scissione con trasposizione di H

SH4)b) CnH2n+1-HC=X CnH2n +

H2C=X

a) CnH2n+1-X=CH2 CnH2n + HX=CH2

C

CA

B

SH1)

SH2)

SH3)

++

H

D RC

CA

H

DB

R

+Y

H

XC

+C

C

+C

CC

X

YH

HX+

+

(C)nC

C(C)n

C

C

X

H

+

+

. .

. .

. .

Giorgio Bonaga

++ C CXR H

+X

C C

HR

SH5)

SH6)

SH7)

++ XX+X+X

a) in ioni a 2 eteroatomiDoppia trasposizione di H

b) rottura

.

..

. .

.

Giorgio Bonaga

TRASPOSIZIONI DI IDROGENO

SH1 = trasposizione alcolica

Esempio

+ +

+

H

CH

CH2

CH

H

OH

H

( )n

H

CH

CH2

CH

H

OH

H( )n ( )n

H

CH

CH2

CH

H

+

H2OSH1

.

.

Giorgio Bonaga

.

SH2 = trasposizione di McLafferty

Esempio

C

CH2C

C

HH3C

CH2

O

CH2

H

CHH

HH H

+

+

+

4-ottanone (mol wt 128)

m/z 128

CC

CH2

O

CH2

H

H

CHH

HH

C

CH2

H CH3

CC

CH2

O

H H

H

HCH2

CH2

+

+

m/z 86 m/z 58

SH2 SH2

.

.

.

Giorgio Bonaga

SH3 = effetto orto

Esempio

++ +

+ CH3OH

+SH3C

CH O

H C

O

H

O CH3 C

CH O

H C

O

O CH3

H

CH C

O

O CH3

HOH

C

CH C

OHC

O

..

. .

SH3

+

CH3OH+

O

C O

O

C

O

OCH3

HO

C

O

OCH3

HO

C

O

O

H

CH3 ++ +

salicilato di metile

..

. .

Giorgio Bonaga

SH4 = trasposizioni secondarie

Esempio

+

+

+N CH2C

CH

HH

CH3CH3O

+N CH2C

CH

HH

CH3O

CH 2 C O NH

CH2CH3

CH3

+

SH4

N CH2CC

CH3CH3

H

H

H

O

etilmetilacetilammide

..

++

SH4

C

HH

CH2 CH2 FH

fluoruro di propile

+C

HH

CH2 CHH

F H+

C

HH

CH2 CH2 FH

+

CH2 CH2 CH2 F

. .

Giorgio Bonaga

SH5 = migrazione del centro radicalico

Esempio

ciclopentanone (mol wt 84)

+

+

CH2

CH2 CH2

CH2

C

O

CH2

CH2 CH2

CH2

C

O

CH

CH2 CH2

CH2

C

O+

H

+

CH

CH2 CH2

CH3

C

O

CH

CH2

C

O+

CH3

CH2

m/z 55

SH5

.

..

.

Giorgio Bonaga

SH6 = trasposizione in all’eteroatomo

Esempio

++

ione propilacetato

CH3 CH2 CH2 OH

O C CH2

HO CH2

C

O

CH2CH2CH3+

. .

Giorgio Bonaga

SH7 = trasposizione doppia

Esempio

CCH2O

C H2

C OH

HH

CH2 CH3+

radical-ione etilbutirrato

+CH

CH2 CCH2O CH2 CH3

HO

H+

. .

+CH3

CH2

+

CH2C

C

C

H

H

O

CH2

H

HH

CH3

radical-ione 3-esanone

CHC

O

CH2 CH3

H

CH2

++

CH2C

C

CO

CH2

H

HH

CH3

H

H

.

. .

Giorgio Bonaga

Esempio 1: trans-stilbene ossido (mol wt 196)

Lo ione a m/z 167 si origina dalla seguente trasposizione strutturale: .

CO

CH H

+

C

H

H C O++ .

Giorgio Bonaga

100

50

0

50 100 150 200

167

196152105897751

M+

m/z

.

Esempio 2: dimetilcarbonato (mol wt 90)

Lo ione molecolare a m/z 90 perde un radicale idrogeno per formare lo ione a elettroni pari a m/z 89 che, attraverso un intermedio a quattro membri subisce una trasposizione strutturale con perdita della molecola neutra di CO2 e formazione dello ione a m/z 45.

++O

C O

CH3CH

HH

O

O

C O

CH3CH2

O

+

CH2 O CH3 CO2

+H-

m/z 90 m/z 89 m/z 45

. .

Giorgio Bonaga

Esempio 3: difeniletere (mol wt 170)

Lo ione molecolare a m/z 170 subisce un riassestamento interno con mutamento della posizione degli atomi di H (“hydrogen scrambling”), poi avviene l’espulsione di C=O con formazione dello ione a m/z 142 (benzociclo-eptatriene) e successivamente la perdita di un radicale H forma lo ione a m/z 141 (benzotropilio).

m/z

5177

142

170

141

100

50

050 100 150 200

+M .

Giorgio Bonaga

m/z 142m/z 170

m/z 141

O O+ +

+

ione benzotropilio

++

+ C O

- H

.

..

..

Giorgio Bonaga

+

m/z 77

- C H5 4

EsempioL’equazione multivettoriale applicata ad uno spettro che fornisce la seguente lista delle masse (”mass list”):

m/z 102 73 59 55 43 31 % 2 55 100 80 30 38

può essere scritta con il seguente algoritmo:

102x2/100+73x55/100+59x100/100+55x80/100+43x30/100+31x38/100

= 167,87

Per identificare il composto incognito con modalità analogiche il

computer cerca tra gli spettri della libreria quelli i cui algoritmi

hanno i valori più prossimi al valore calcolato per il composto

incognito. Nell’esempio, il computer fornirebbe 3 opzioni (sovente

molte di più), per ciascuna delle quali la “somiglianza” con il

composto incognito viene espressa in millesimi. Giorgio Bonaga

1) 3-esanolo (168,00/167,87) = 999/10002) 2-esanolo (167,47/167,87) = 997/10003) 1-esanolo (166,80/167,87) = 994/1000 Normalmente la ricerca della somiglianza può essere fatta scegliendo uno dei seguenti parametri:

• PURITY: confronta tutti i picchi dello spettro reale con tutti i picchi degli spettri della libreria;• FIT: confronta i 16 picchi più abbondanti dello spettro reale con i 16 picchi più abbondanti degli spettri della libreria;• RETROFIT: confronta i 16 picchi più abbondanti degli spettri della libreia con i 16 picchi più abbondanti dello spettro reale.

In molti casi queste somiglianze non consentono di assegnare con certezza le strutture dei composti analizzati, ma soltanto di fornire delle identificazioni più probabili che possono essere, comunque, molto utili anche nell’interpretazione logica dello spettro di massa.

Giorgio Bonaga

MS/MS TANDEM

ioni figli

ione genitore selezionato

MS MScella di

collisione

Giorgio Bonaga

Q-TOF in modalità QQQ/MS

TOF

skimmer

Q/Q/Q

cella di collisione

ESI

cono di campionamento propulsor

e

rivelatore

riflettori

Qaccessorio

+

Giorgio Bonaga

LC (ESI)-MS/MS

Giorgio Bonaga

quadrupolo(MS1)

cella di collisione(esapolo)

ESI

cono di campionamento dinodo di

conversionesistemaottico

quadrupolo(MS2)

cono di estrazione

fotomoltiplicatore

fosforo

Z sprayion source

+

gas dicollisione

Q-TOF (MS/MS) di una sequenza peptidica

75 100 125 150 175 200 225 250 275 300 325 350 375 400 425 450 475 500 525 550 575 600 625 650 675 700M/z0

100

%

TOF MSMS 681.30 NF E S G (128.11) bMax

(128.11) G S E F N yMax

681.42 (M+H) +

291.21y2

262.16b2

234.15a2204.17

y1129.12102.07E

147.13y

217.13263.16

664.39

420.27y3391.21

b3

292.21

374.18364.18293.19

402.26 567.37y4

478.25b4421.26

517.28 549.34

663.39646.38577.35

682.43

683.41

686.10

686.44

Gio

rgio

Bonaga

Sequenza peptidica: porzione di spettro MS

225 250 275 300 325 350 375

291.21

262.16

234.15

217.13

263.16292.21

374.18364.18293.19

Giorgio Bonaga

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L.S. in Scienze e tecnologie alimentari Anno Accademico 2008/2009 Corso integrato: