DEFINICIJA U MS molekuli se u modu sudara elektrona (EI) bombarduju u gasnoj fazi elektronima velike energije (70 ev). Rezultat elektronskog sudara se prikazuje kao spektar izdvajanja pozitivnih jona na osnovu odnosa masa/naelektrisanje (m/e). Većina nastalih jona ima jedno naelektrisanje. Maseni spektar je linijski spektar: na ordinati je intenzitet signala izražen u procentima u odnosu na osnovni pik (100%). Pikovi manji od 0,5%, u odnosu na osnovni pik, se uobičajeno zanemaruju. 1
Pik pozitivnog jona, koji predstavlja nedirnuti molekul (M) umanjen za jedan elektron uklonjen sa mesta sudara, označava se kao molekulski jon, M.+ Molekulski jon se dalje prevodi u seriju fragmentisanih jona. INSTRUMENT MS meri molekulske mase opsega 500 do 2000. MS instrument se sastoji iz pet osnovnih delova: Sistem za unošenje uzorka Uključuje jedinicu za zagrevanje i sistem pumpi tako da uzorak isparava u vakuumu. Analiziraju se tečni uzorci i čvrsti uzorci. Veličina uzorka: od nekoliko miligrama do manje od nanograma. Ubacivanje supstanci: GC (GC-MS) i LC (PLC-MS). 2
Jonizacioni deo i komora za ubrzavanje Struja gasa iz ulaznog dela sistema se ubacuje u jonizacionu komoru (pritisak oko 133,33. 10-6 -10-5 Pa) u kojoj se bombarduje pod pravim uglom elektronskim snopom iz izvora koji emituje vreli filament. Nastaju pozitivni joni koji se sa elektronskim snopom ubrzavaju u slabom elektrostatičkom polju. Jako elektrostatičko polje, zatim, ubrzava jone do njihove krajnje brzine. Za dobijanje spektra primenjeno magnetno polje se povećava odnoseći teže jone u kolektorski deo. Kod većine instrumenata vreme prolaza masa od 12 do 500 se dešava u sekundama. Cev za analizu i magnet Cev za analizu je pod vakuumom koji iznosi 133,33. 10-7 -10-8 Pa, lučnog je izgleda i metalna, a kroz koju joni prolaze od jonskog izvora do kolektora. Magnetno polje je postavljeno normalno na ravan cevi, a osnovni zahtev je uniformno magnetno polje u toku analize čija snaga može fino da se podešava. 3
Jonski kolektor, pojačavač i pisač Tipični jonski kolektor sadrži navoje koji utiču samo na jedan set jona u vremenu prolaza kroz kolektor u kome se detektuju i signal se pojačava pomoću elektronskog pojačavača. MS je opremljen komjuterom koji omogućava crtanje linijskih spektra i prikaz podataka u obliku tabele. Pretraživanje kompjuterske biblioteke i uporedjivanje pikova pomaže u identifikaciji jedinjenja ili ukazuje na najbližu strukturu. Veličina pika je proporcionalna broju jona svake pojedinačne mase. Mnogi joni su sa jednim naelektrisanjem, ali dogadja se i višestruka jonizacija i tada pikovi imaju polovinu mase (na primer, dvostruko naelektrisan jon mase 89 daje pik na 89/2 ili m/e 44,5). 4
MASENI SPEKTAR Maseni spektar se dobija sa energijom izvora od 70 ev. Jednostavan slučaj je dobijanje molekulskog jona, koji je radikal-katjon (M.+ ), uz uklanjanje jednog elektrona iz molekula u gasnoj fazi elektronom iz elektronskog izvora. Na primer, metanol gradi molekulski jon: C 3 O + e C 3 O.+ + 2e m/e 32 Molekulski joni se razlažu tokom 10-10 -10-3 s i daju pozitivno naelektrisane fragmente i radikale. Tako nastaju brojni fragmenti jona koji se mogu dalje fragmentisati dajući manje fragmente. To se može prikazati na metanolu: C 3 O.+ C 2 O + +. m/e 31 C 3 O.+ C 3+ +. O m/e 15 C 2 O + CO + + 2 m/e 29 5
Ukoliko se molekulski joni ne fragmentišu, a dodju na detektor, tada vidimo pik molekulskog jona. Važno je uočiti pik molekulskog jona jer on daje molekulsku težinu jedinjenja. Maseni spektar predstavlja odnos masa pozitivno naelektrisanih fragmenata (uključujući molekulski jon) prema njihovoj relativnoj koncentraciji. Najintenzivniji pik u spektru, osnovni pik, se označava intenzitetom od 100%, a intenziteti (visina x faktor osetljivosti) ostalih pikova, uključujući molekulski pik, su predstavljeni kao procenti osnovnog pika. Molekulski jonski pik može da bude i osnovni pik. 6
Spektri se predstavljaju tablično ili grafički. Grafički način ima prednost zbog bržeg odredjivanja strukture, označavanja pikova i lakog prepoznavanja pojedinih masenih jedinica i osnovnog molekulskog jonskog pika. Pikovi veoma malih intenziteta se ne prikazuju. Molekulski jonski pik je obično najvećeg masenog broja, osim za pikove izotopa. Ukoliko je jonski (m 1 ) fragment, nakon ubrzanja ali pre ulaska u magnetno polje, ubrzan sa masom m 1 on je predstavljen u magnetnom polju kao m 2. Dobijeni jon je sa manjim intenzitetom i prikazan je kao širok pik sa masom m* i dat je izrazom: m*=(m 2 ) 2 /m 1 Ovaj jon se naziva metastabilni jonski pik. Merenja masa metastabilnih pikova daje informacije da je m 2 nastao iz m 1 gubljenjem neutralnog fragmenta i ima normalne vrednosti za jonske pikove. 7
ODREðIVANJE MOLEKULSKE FORMULE Tačna molekulska formula ili formula fragmenta se izvodi iz tačno odreñene mase koja je izmerena pomoću MS spektrometrije (MS visoke rezolucije). Ovo je moguće jer atomske mase nisu iste. Molekulska formula je zbir molekulskih masa za prirodne izotope (na primer, 12 C, 1, 16 O, itd.) i drugih izotopa 13 C, 2, 15 N, 17 O, itd. Tada se molekulska masa povećava za odgovarajuću vrednost, a dobijamo pikove M+1, M+2, itd. Intenzitet signala ovih masa je daleko manji u poredjenju sa intenzitetima za mase M, osim ako u molekulu nisu prisutni Cl ili Br. Ukoliko su molekulske mase velike (preko 200) tada udeo jednog ili dva izotopa sa većim masama u molekulu, ne dovodi do velike razlike u ukupnoj molekulskoj masi. 8
Tačne mase atoma i nekih izotopa Element Atomska masa Jezgro Masa Vodonik 1,00794 1 1,00783 D ( 2 ) 0,01410 Ugljenik 12,01115 12 C 12,0000 (standard) 13 C 13,00336 Azot 14,0067 14 N 14,0031 15 N 15,0001 Kiseonik 15,9949 16 O 15,9949 17 O 16,9991 18 O 17,9992 Fluor 18,9984 19 F 18,9984 Silicijum 28,0855 28 Si 27,9769 29 Si 28,9765 30 Si 29,9738 Fosfor 30,9738 31 P 30,9738 Sumpor 32,066 32 S 31,9721 33 S 32,9715 34 S 33,9679 lor 35,4527 35 Cl 34,9689 37 Cl 36,9659 Brom 79,9094 79 Br 78,9183 81 Br 80,9163 Jod 126,9045 127 I 126,9045 Primer: Razlika masa za CO, N 2, C 2 N i C 2 4. 12C=12,0000 14N 2 =28,0062 12C=12,0000 12C 2 =24,0000 16O=15,9949 1 2 =22,0156 1 4 =44,0312 27,9949 14N=14,0031 28,0187 28,0312 9
ODREDJIVANJE JONSKOG MOLEKULSKOG PIKA Za odredjivanje veoma je korisno pravilo azota. Molekul sa parnom molekulskom masom mora da bude ili bez azota ili da sadrži paran broj azota, a molekuli sa neparnom molekulskom masom moraju da sadrže neparni broj azotovih atoma. Ovo pravilo važi za sva jedinjenja koja sadrže C,, O, N, S, halogene, P, B, Si, As i zamnoalkalne metale. Tada fragmentacija molekulskog jona sa neparnom masom daje jonski fragment sa neparnim brojem i molekulski jon sa neparnim brojem, a parni broj jonskog fragmenta nastaje iz molekulskog jona sa neparnim brojem (tada jonski fragment mora sadržati sve azote, ukoliko ih ima, u molekularnom jonu). Intenzitet molekulskog jonskog pika zavisi od stabilnosti molekulskog jona. Veoma stabilni molekulski joni su aromatični sistemi. Ukoliko supstituenti na aromatičnom jezgru stabilišu postojeće raskidanje molekulski jonski pik će biti manje intenzivan, a pikovi fragmenata će biti relativno intenzivniji. Sledeći redosled se može uvesti za neke klase organskih jedinjenja: aromatična jedinjenja > konjugovani alkeni > ciklična jedinjenja > organski sulfidi > kratki, normalni alkeni > merkaptani. 10
Prepoznatljivi molekulski joni su obično proizvodi sledećih klasa jedinjenja u opadajućem redosledu: ketoni>amini>estri>etri> karbonske kiseline aldehidi amidi halidi Molekulski jon često nije moguće detektovati kod alifatičnih alkohola, nitrita, nitrata, nitro jedinjenja, nitrila i veoma razgranatih jedinjenja. Prisustvo pika M-15 (gubitak C 3 grupe) ili M-18 pika (gubitak 2 O) ili M-31 pika (gubitak OC 3 iz metilestara) se uzima kao potvrda prisutnog molekulskog pika. Pik M-1 je uobičajen, M-2 (gubitak 2 bilo fragmentacijom ili termolizom) je prihvatljiv i M-3 pik (iz alkohola) je prihvatljiv. Pikovi u opsegu od M-4 do M-14 ukazuju da je prisutna kontaminacija ili da je označeni molekulski jonski pik ustvari pik jonskog fragmenta. Gubici fragmenata masa 19-15 nisu mogući osim gubitka za F=19 ili F=20 kod fluornih jedinjenja. Gubici 16 (O), 15 (O) ili 18 ( 2 O) su mogući ukoliko je u molekulu prisutan atom kiseonika. 11
FRAGMENTACIJA Fragmentacija molekula, sa velikim viškom energije, može izgledati kao destruktivna metoda za molekulsku strukturu. Povezivanje spektralnih podataka sa strukturom započinje prvim radovima Mek Lafertija (McLafferty) i Bejnona (Beynon) koji su objasnili mehanizam fragmentacije. Molekulski jon je sa delokalizovanim naelktrisanjem. Pozitivno naelektrisanje može da se lokalizuje na π-vezi (ne za konjugovane sisteme) ili na heteroatomu. Fragmentacija je inicirana elektronskim sudarom. Samo mali deo energije koji pokreće fragmentaciju potiče od elektronskog sudara. Daleko veći deo je iz katjonsko-radikalskog karaktera molekula. 12
Fragmentacija molekulskog jona sa neparnim naelektrisanjem (radikal-katjon, M.+ ) može da se odigra homolitičkim ili heterolitičkim raskidanjem jedne veze. U homolitičkom raskidanju svaki elektron se "kreće" nezavisno, što je prikazano strelicama koje imaju samo jedan vrh. Fragmenti su katjon sa parom elektrona i slobodni radikal sa neparnim brojem elektrona. Kod heterolitičkog raskidanja elektronski par se "kreće" zajedno sa pozitivnim naelektrisanjem, što je prikazano uobičajenom strelicom. Fragmenti su ponovo katjon sa parom elektrona i radikal, ali krajnje naelektrisanje je na alkil proizvodu. 13
Ukoliko nema prstenova (čija fragmentacija zahteva raskidanje dve ili više veza) većina dobijenih fragmenata u masenom spektru su katjoni sa parom elektrona sa jednim raskidanjem. Dalja fragmentacija parnih katjona sa parnim elektronima obično rezultira u nastajanju drugih katjona sa parnim elektronima i neutralnom molekulu ili fragmentu sa parnim elektronima. Simultano ili lančano raskidanje nekoliko veza može da se odigra sa energijom koja nastaje iz formiranja visoko stabilnih katjona i/ili stabilnih radikala ili neutralnih molekula prema definisanom zakonu o održanju energije. Verovatnoća raskidanja pojedinih veza je vezana za jačinu veza, mogućnost prelaza sa malom energijom i stabilnošću fragmenata, bilo naelektrisanih ili nenaelektrisanih, nastalih u procesu fragmentacije. Termička dekompozicija se odigrava slično, ali zbog vakuuma u cevi za analizu masenog spektrometra, dešavaju se i neki drugačiji procesi. 14
Opšta pravila za predvidjanje dobijenih pikova u masenom spektru se racionalizuju korišćenjem standardnih koncepta fizičke organske hemije: 1. Relativna visina molekulskog jonskog pika je veća za lančana jedinjenja i opada kako stepen grananja raste. 2. Relativna visina molekulskog jonskog pika obično opada sa porastom molekulske težine u homologoj seriji. Estri masnih kiselina su izuzetak. 3. Raskidanje je favorizovano na alkil supstituentima ugljenikovog niza. Što je više supstituenata na osnovnom nizu to je više raskidanja (saglasno sa povećanjem stabilnosti tercijarnog karbokatjona u odnosu na sekundarni koji je, dalje, stabilniji u odnosu na primarni).. + R C R. + + C 15
Redosled stabilnosti karbokatjona je: C 3+ < R'C 2+ < R 2 'C + < R 3 'C + Uopšteno, veći supstituent na mestu grananja se lakše eliminiše kao radikal zbog očekivanja da radikal sa dugim nizom ima veću stabilnost zbog delokalizacije jednog elektrona. 4. Dvostuka veza, ciklična struktura i aromatični (ili hetero-aromatični) prsten stabiliše molekulski jon i tako povećava verovatnoću njegovog pojavljivanja u spektru. 5. Dvostruka veza favorizuje raskidanje i daje rezonantno stabilizovani aliciklični karbo-katjon. Ovo pravilo ne važi kod prostih alkena zbog lake migracije dvosturke veze, ali važi kod cikloalkena. 16
Nastajanje stabilozovanog karbokatjona: C 2 +. :C C2 R. - R + C 2 C C 2 + C 2 C C 2 6. Zasićeni prsteni teže da otpuste bočni niz na α-vezi. Ovo je specijalni slučaj grananja (pravilo pod 3). Pozitivno naelekrisanje ostaje na fragmentu prstena. R. +. - R + 17
Nezasićeni prstenovi mogu da se podvrgnu povratnoj Dils-Alderovoj reakciji (Diels-Alder):. +. + + C C 7. U alkil supstituentima aromatičnih jedinjenja raskidanje je veoma verovatno na β-vezi u odnosu na prsten dajući rezonantno stabilizovan benzil jon ili, još češće, tropilijum jon: 18
Nastajanje tropilijum jona:. + C 2 R -R. C 2 + C 2 + + 1,2-hidridno premestanje + 8. C-C veze do heteroatoma se često raskidaju ostavljajući naelektrisanje na fragmentu koji sadrži heteroatom čiji nevezujući elektroni omogućavaju rezonantnu stabilizaciju. 9. Raskidanje se dešava često zajedno sa eliminacijom malih stabilnih molekula, kao što su CO, olefini, 2 O, N 3, 2 S, CN, merkaptani, keteni ili alkoholi, često uz premeštanje. 19
PREMEŠTANJA Premeštanja jonskih fragmenata, koja se ne mogu opisati jednostavnim raskidanjima veza molekulskog jona, rezultat su intramolekulske atomske preraspodele za vreme fragmentacije. Premeštanja uključuju prelaz vodonikovih atoma u molekulima koji sadrže heteroatom koji je posebno poželjan. Jedan važan primer premeštanja se naziva Mek Laferti premeštanje. Mek Laferti premeštanje: Y + :. O CR 2 C C 2 2 -R 2 C=C 2 Y=, R, O, OR, NR 2. O. + Y C 2. O +. Y C 2 Y. O.. + C 2 20
Da bi se odigralo Mek Laferti premeštanje molekul mora posedovati povoljno lociran heteroatom (na primer O), π-sistem (obično dvostruku vezu) i vodonikov atom koji lako odlazi na γ-ugljeniku u odnosu na C=O vezu. Premeštanja rezultiraju u eliminaciji stabilnog neutralnog molekula (na primer alkenski proizvod u Mek Laferti premeštanju). Pikovi nastali premeštanjem mogu da se prepoznaju razmatranjem masenog broja (m/e) za jonske fragmente i za njihove odgovarajuće molekulske jone. Jednostavno (bez premeštanja) raskidanje molekulskog jona sa parnim brojem daje jonski fragment sa neparnim brojem. Jednostavno raskidanje molekulskog jona sa neparnim brojem daje fragment sa parnim brojem. 21
Dobijanje fragmenta jonske mase koja se razlikuje za jednu jedinicu od očekivane za fragment (M+1) je rezultat premeštanja vodonika (na primer, fragmenta parne mase iz molekulskog jona parne mase). Pikovi dobijeni kod premeštanja mogu da se prepoznaju korišćenjem pravila azota. Tada pikovi sa parnim brojem nastaju iz molekulskog jona sa parnim brojem što je rezultat dva raskidanja, koja mogu da uključe premeštanje. MASENE FRAGMENTACIJE NEKI KLASA ORGANSKI JEDINJENJA Zbirka zadataka, str. 175-178. 22
INSTRUMENTALNE METODE KRAJ 23