1

MASENA SPEKTROMETRIJA (MS)

• Poseban značaj-jedna od najznačajnijih analitičkih postupaka u savremenoj organskoj analizi (pogotovo GC-MS)

• Potrebno malo supstance (10 –3 g, a u kombinaciji sa Gasnom hromatografijom (GC) jos manje (10 –6 i jos manje)

• Organske molekule se bombarduju snopom elektrona u vakuumu i analiziraju nastali produkti.

• Elektroni energije od 50-70 eV joniziraju molekulu i nastale jone cijepaju u fragmente od kojih su neki pozitivno nabijeni joni

• Nastali joni imaju određene mase i naboje.• Odnos m/e je veličina za svaku vrstu iona. Za

vecinu jona e=1, pa m/e predstavlja masu mog iona.

• Odnos mase jona/e i relativnog sadržaja naziva se spektrom masa.

2

•

•

Shema spektrometra

•

3

•

MS Spektrometar

4

• Gasoviti ili lakohlapivi uzorak uvodi se u jonizaciojnu kolonu

• Manje hlapivi, tečni i čvrsti uzorci prevode se u gasovito stanje u samoj koloni ili u posebnom uređaju za pripremu uzorka.

• U jonizacionoj koloni pritisak je (10-5 mm Hg) kod kojeg dolazi do jonizacije

• Pozitivni joni koji nastaju pri bombardovanju elektronima ili kasnije cijepanjem molekularnog jona, ubrzavaju se na jednom kraju komore, pomoću negativno nabijenih ploča.

• Neki joni prolaze kroz pukotinu u sredini ploce za ubrzavanjei ulaze u polukruznu cijev gdje na njih djeluje promjenjivo magnetno polje.

• Pri prolasku kroz magnetno polje joni skrecu s putanje, ovisno o njihovoj brzini, naboju i masi.

• Velicina skretanja obrnuto je proporcionalna masi svakog fragmenta.

• Laksi fragmenti skrecu vise.

• Joni se sakupljaju u kolektoru gdje se vrsi njihova detekcija.

• U kolektoru nastaje elektronski signal, koji se pojacava i zapisuje na spektru masa prema rastucim masama i relativnom intenzitetu.

5

• Masa jona m/e zabiljezena na spektru upravo je proporcionalna umnosku kvadrata magnetnog toka i kvadrata radiusa putanje jona a obrnuto proporcionalna dvostrukom naponu elektrostatskog polja sto se vidi iz jednacine:

m/e =B2 r2

2 U

m/e = masa jona m, naboja e

B = gustoca magnetnog toka r = radijus putanje jona U = elektricni napon U =

• Kod jedne vrste instrumenata, u toku snimanja spektara radius i elektricni napon se drze konstantnim, a mijenja se gustoca magnetnog polja.

• Kod druge vrste instrumenata radijus i gustoca magnetnog polja su konstantni a mijenja se elketricni napon.

• U spektru masa svaki signal predstavlja relativnu kolicinu jona koji daje taj signal.

• Najvisi signal se naziva osnovni signal (base peak) i njegov intenzitet se oznacava sa 100, a intenziteti ostalih signala oznacavaju se relativno prema njemu u procentima.

• Dobiveni rezultati se mogu izraziti u obliku tabela ili dijagrama.

6

• Spektrometar masa karakteristican je za svaki organski spoj pa se moze smatrati (kao u IC) otiskom prsta svake molekule.

Podaci iz spektra masa:

• Odredjivanje molekularne mase nepoznatog spoja i postavljanje molekularne formule

• Dokazivanje identicnosti dva spoja

• Odredjivanje stukturnih elemenata nepoznatog spoja

Odredjivanje molekularne formule

• Bombardovanjem elektronima iz maticne molekule se uklanja jedan elektron i nastaje molekularni jon radikal (parent ion) cija vrijednost m/e predstavlja molekularnu masu datog spoja:

M e M e+ + + 2

7

• Molekularni jon M+ moze u spektru biti osnovni signal, ali cesto to nije slucaj

• Molekularna masa ocitana na spektru masa odgovara molekulama koje sadrze samo one izotope svakog elementa koji najcesce dolaze u prirodi.

• Posto elementi u prirodi dolaze vecinom u obliku vise izopota, u spektru se pored signala molekularnog jona M pojavljuju i signali izotopa kod M +1, M+2, M+3 itd. Oni odgovaraju molekulama koje sadrze 1, 2, 3 ili vise atoma tezih izotopa.

• Odnos intenziteta signala m/e za M, M+1, M+2, priblizno je jednak odnosu koncentracije izotopa atoma u prirodi.

• Za svaku molekularnu formulu omjer M, M+1, M+2 je razlicit. Taj omjer se izrazava u procentima tako da se intenzitet signala M uzme kao 100%, a intenziteti signala M+1, M+2... Relativno prema njemu.

• Molekularna masa koja se odredi na drugi nacin suma je srednjih atomskih masa elemenata.

• Ako pretpostavimo da spoj sadrzi jedan C atom na svakih 100 molekula koje sadrze izotop 12C, 1,08 molekula ce sadrzavati 13C i te molekule daju signal M+1, a njegov je intenzitet 1,08 % od intenziteta signala molekularnog jona. Ovi signali vazni su za postavljanje molekularne formule.

8

Primjer odredjivanja molekularne formule

• Iz spektra nekog spoja dobiveni su podatci za M, M+1, M+2

m/e %

150(M) 100

151(M+1) 10,2

152(M+2) 0,88

Formula M+1 M+2

C7H10N4 9,25 0,38

C8H8NO2 9,23 0,78

C8H10N2O 9,61 0,61C8H12N3 9,98 0,45

C9H10O2 9,96 0,84

C9H12NO 10,34 0,68

C9H14N2 10,71 0,52

U specijalnim tabelama nalaze se molekularne formule,koje odgovaraju molekularnoj masi 150 i odgovarajuce Vrjednosti za M+1 i M+2

• Neke od navedenih formula mogu se odmah eliminirati jer ne sadrze sve prisutne elemente odredjene elementarnom analizom, a druge se mogu eliminirati uz pomoc dusikovog pravila.

9

Dusikovo pravilo

• Molekularna masa je parna ukoliko spoj ne sadrzi N ili sadrzi paran broj N atoma. Fragmenti su u tom slucaju s neparnim brojem.

• Neparan broj molekularne mase ima spoj koji sadrzi neparan broj N atoma.

•

• U nasem primjeru se mogu iskljuciti tri formule koje sadrze neparan broj N atoma.

• Signali za nas spoj za izotope M+1, M+2, odgovaraju najbolje formuli C9H10O2, koja nema N.

• Ovako dobivena molekularna formula potvrdjuje se kombinacijom podataka dobivenih interpretacijom spektara masa i podataka dobivenih iz spektara drugih metoda.

Fragmentacija

• Molekularni jon koji nastaje bombardovanjem molekule elektronima ne pojavljuje se uvijek u spektru, jer se on cijepa u manje fragmente jos prije nego prodje kroz otvor kolekora.

• Molekularni jon je usljed bombardovanja elektronima obogacen energijom, a cijepanje veza je nacin da se oslobodi ta energija.

• Fragmentacija molekularnog jona u spektru masa organskih spojeva slicna je procesima koji seodvijaju pri heterolitickom raskidanju veza pri kojima nastaju kationi.

10

• Interpretacija slike fragmentacije masa vazna je za odredjivanje strukture, jer priroda jona koji nastaju fragmentacijom ovisi o:

- Energiji elektrona

- Srukturi molekule

• Pri fragmentaciji kao i u procesima pregradnje, nastaju razlicite manje cestice:

- Radikal kationi

- Kationi

- Slobodni radikali

- Neutalne molekule

• Na spektru masa vrsi se registracija samo radikal kationa i kationa.

• Koji fragmenti ce nastati zavisi od relativne stabilnosti veza u molekularnom jonu i od stabilnosti nastalih jona.

11

• Postoji niz opstih pravila koja omogucavaju da se predvide karakteristicni signali u spektru neke organske molekule. Ova pravila su postavljena na osnovu istrazivanja velikog broja spektara ogranskih molekula:

1. Kod spojeva na normalnim ugljikovodikovim lancem molekularni jon je maksimalnog intenziteta a smanjuje se sa povecanjem grananja lanca. U spektru spojeva sa razgranatom strukturom nema molekularnog jona.

2. Povecanjem molekularne mase u homolognom nizu smanjuje se intenzitet molekularnog jona.

3. Cijepanje u molekularnom jonu se odvija prvenstveno na najvise supstituiranim atomima ugljika, jer tako nastaju najstabilniji karbokationi.

R3C+> R2HC+> RH2C+> CH3+

Kod razgranatih ugljikovodika najveci supstituent se obicno odvaja u obliku slobodnog radikala, jer se tako moze bolje stabilizirati kation:

R C R. C+

+

4. Prisustvo aromatske strukture i prisustvo dvostrukih veza omogucava stabilizaciju molekularnog jona uslijed rezonancije i tako povecava vjerovatnocu njegove pojave u spektru.

5. Dvostruke veze pogoduju alilnomcijepanju uz nastajanje alilnog karbokationa (-cijepanje).

12

6. Veza C-C koje su susjedne heteroatomuraskidaju se tako da naboj ostaje na fragmentu sa heteroatomom (-cijepanje).

7. Benzilno cijepanje. Raspad alkil aromatskih jona odvija se u -polozaju prema prstenu, dajuci benzilni kation, koji se moze stabilizirati rezonancijom. Benzilno cijepanje se prepoznaje po prisustvu stabilnog tropilijum jona m/e 91.

• Osim jona koji nastaju uslijed raskidanja veza u molekularnom jonu, u spektrima masa pojavljuju se i joni nastali unutarmolekularnom pregradnjom atoma.

• Ova unutrasnja pregradnja naziva se McLafferty-jeva pregradnja. Spojevi koji imaju pokretljiv -vodikov atom premijestaju taj vodikov atomprema heteroatomu ili prema dvostrukoj vezipa tako nastaje novi jon sa parnom vrijednoscu m/e i jedna neutralna molekula. Takva pregradnja se odvija npr. kod butanala.

• Primjer pregradnje -vodika prema benzenskom prstenu jeste pregradnja molekularnog jona butil-benzena.

Intramolekularna premijestanja

13

• U tabeli su dati karakteristicni fragmenti za pojedine vrste organskih molekula:

• Ponekad u jonizacionoj koloni, moze se dogoditi sudar molekularnog jona sa neutralnom molekulom pri cemu nastaje molekularni jon sa najvecom masom:

.+ABCD + + ABCD ABCDABCDIntenzitet signala ovakvog jona je vrlo mali, ali se promjenom Uslova snimanja spektara njihovi signali mogu povecati.

• Kod interpretacije spektara masa nakon odredjivanja molekularne formule, zabiljezi se najsnazniji signal u spektru i zatim uz pomoc tabela u kojima su dati najvazniji fragmenti radikal kationi i kationi) i tabela sa ostalim fragmentima (slobodni radikali i neutralne molekule)slaze se mozaik pretpostavljene strukture ispitivanog spoja. Naravno pri tome se koriste i podaci dobivenim interpretacijom spektara drugih spektrometrijskih metoda.

• Baze (komercijalne, on-line)

14

Cijepanje sigma veza

15

16

•