Métodos Físicos de Análise: Espectrometria de Massas

Métodos Físicos de Análise Espectrometria de Massas Produção Gerência de Desenho Educacional NEAD Desenvolvimento do material Druval Santos de Sá 1ª Edição Copyright 2021 Unigranrio Nenhuma parte deste material poderá ser reproduzida transmitida e gravada por qualquer meio eletrônico mecânico por fotocópia e outros sem a prévia autorização por escrito da Unigranrio Núcleo de Educação a Distância wwwunigranriocombr Rua Prof José de Souza Herdy 1160 25 de Agosto Duque de Caxias RJ Reitor Arody Cordeiro Herdy PróReitoria de Programas de PósGraduação Nara Pires PróReitoria de Programas de Graduação Lívia Maria Figueiredo Lacerda PróReitoria Administrativa e Comunitária Carlos de Oliveira Varella Núcleo de Educação a Distância NEAD Márcia Loch Sumário Espectrometria de Massas Para Início de Conversa 4 Objetivos 4 1 Princípios da Espectrometria de Massas 5 11 Injeção da Amostra 6 12 Analisador de Massa 7 121 Analisador de Massa de Setor Magnético 7 122 Analisador de Massa de Foco Duplo 8 123 Analisador de Massa Quadrupolar 8 124 Analisadores de Massa por Tempo de Voo TOF 9 2 Fundamentos Aplicados à Fragmentação Química 9 21 Processos Fundamentais de Fragmentação 10 211 Regra de Stevenson 10 212 Segmentação Iniciada no Sitio Radical Segmentação α 11 213 Segmentação iniciada em sitio carregado segmentação indutiva 11 214 Segmentação de Duas Ligaçoes 12 215 Segmentação Retro DielsAlder e Rearranjo McLafferty 12 22 Padrão de Fragmentação 13 221 Fragmentação de alcanos 13 222 Fragmentação de Alcenos 15 223 Fragmentação de alcinos 16 224 Fragmentação de Hidrocarbonetos Aromáticos 16 225 Fragmentação de Alcoóis e fenóis 17 226 Fragmentação de Aldeidos 17 227 Fragmentação de Cetonas 18 228 Fragmentação de Ésteres 18 229 Fragmentação de Ácidos Carboxilicos 19 2210 Fragmentação de Aminas 19 3 Equipamento de Espectrometria de Massas Fonte e Detecção 20 31 Fontes de Ionização 20 311 Ionização por elétrons EI 20 312 Ionização Quimica 21 313 Técnicas de Ionização por Dessorção SIMS FAB e MALDI 22 314 Ionização por eletrospray ESI 23 32 Detecção 23 Referências 26 Métodos Físicos de Análise 3 Para Início de Conversa Como você determinaria a estrutura e o peso molecular de um composto constituido por C O N e H Qual a técnica mais indicada para isso RMN UVvis ou IR Como discutimos nenhuma dessas técnicas são capazes de determinar o peso molecular de um composto quimico apenas a espectrometria de massas EM A EM tem sido largamente utilizada para obtenção da composição elementar de amostras simples e complexas superficies sólidas estruturas de moléculas inorgânicas orgânicas e biológicas e razão isotópica de átomos A técnica está baseada na ionização da amostra para formação de ions em fase gasosa que possibilitam analisar e determinar o padrão de fragmentação e a razão massa carga mz da mesma Neste capitulo estudaremos os principios fundamentais que norteiam a espectrometria de massas os fundamentos aplicados à fragmentação quimica e as principais fontes de ionização tipos de analisador e a detecção do espectrômetro de massas Objetivos Estudar os fundamentos da técnica de espectrometria de massas Estudar os mecanismos de fragmentação quimica Conhecer o equipamento de espectrometria de massas com ênfase na fonte e sistemas de detecção de massas Métodos Físicos de Análise 4 1 Princípios da Espectrometria de Massas Os principios fundamentais da espectrometria de massas EM foram criados no final do século XIX a partir da determinação da razão massacarga do elétron e da carga dos raios catódicos por J J Thomson e Wien respectivamente Entretanto somente nas décadas de 1980 e 1990 por meio do desenvolvimento de técnicas de ionização para compostos com altos pesos moleculares e amostras biológicas a EM passou a ser adotada por diferentes tipos de indústrias e grupos de pesquisa PAVIA et al 2015 O espectrômetro de massas é o equipamento utilizado nas análises de EM O equipamento é constituido por cinco componentes I Unidade de introdução da amostra II Fonte de ionização III Analisador de massa IV Detector V Sistema de dados Figura 1 Componentes de um espectrômetro de massas Fonte Adaptado de Pavia et al 2015 O método de ionização e o tipo de detector utilizado na análise de uma amostra dependem do tipo do tipo de aplicação PAVIA et al 2015 As informaçoes importantes para a interpretação de um espectro de massa podem ser observadas na Figura 2 Métodos Físicos de Análise 5 O eixo x em unidades de mz representa a massa e fórmula dos ions detectados O eixo y representa a abundância relativa de cada ion detectado O ion mais abundante o pico mais alto é denominado pico base Geralmente é o fragmento mais facilmente formado do composto original Um dos picos com maior valor de mz pode ou não representar o ion molecular ion com a fórmula ponderal do composto original Picos pequenos com valores de z maiores 1 ou 2 unidades que a massa formula do composto são devidos ao 13C e outros isótopos Figura 2 Identificação das informações de um espectro de massa Propano Fonte Adaptado de Solomons 2018 O Prêmio Nobel de Quimica de 2002 foi concedido ao desenvolvimento de métodos para identificação e análise estrutural de macromoléculas biológicas John B Fenn e Koichi Tanaka ficaram com metade do prêmio pelo desenvolvimento de métodos de ionização por dessorção suave para análise de macromoléculas biológicas por espectrometria de massas e a outra metade ficou com Kurt Wüthrich pelo desenvolvimento de espectroscopia de ressonância magnética nuclear para determinação da estrutura tridimensional de macromoléculas biológicas em solução COLNAGO ALMEIDA VALENTE 2002 11 Injeção da Amostra A primeira etapa antes da formação de ions é a introdução da amostra gás líquido ou sólido na unidade de introdução da amostra a fim de gerar o um fluxo de moléculas na câmara de ionização composta por uma fonte de ionização Para que esse fluxo de elétrons seja formado uma quantidade suficiente de amostra deve ser vaporizada A unidade de introdução da amostra possui uma pressão maior que a câmara de ionização que está sob vácuo em baixa pressão O fluxo de moléculas que entra na câmara de ionização se mantém constante por causa do escapamento molecular um pequeno furo que garante a passagem do vapor da unidade de introdução de amostra para a câmara de ionização Esse sistema pode ser utilizado com liquidos ou sólidos voláteis Entretanto para amostras não voláteis são utilizadas outras unidades de injeção utilizando métodos como sonda direta a amostra é presa na ponta de uma sonda que é inserida na câmara de ionização sob vácuo Atualmente as unidades de introdução de amostras mais versáteis são conectadas a um espectrômetro de massas são elas a espectrometria de massas acoplada à cromatografia gasosa GCMS Figura 3 e a espectrometria de massas acoplada à cromatografia de líquido de alta performance HPLCMS O acoplamento dessas unidades ao Métodos Físicos de Análise 6 espectrômetro de massas possibilita a separação e determinação individual dos componentes de uma mistura complexa Tanto em GC MS quanto em HPLCMS os componentes da amostra são separados e detectadosanalisados pelo espectrômetro de massas A B Figura 3 Equipamento de GCMS A com identificação dos componentes B Fontes Adaptado de Solomons et al 2018 e Dreamstime 12 Analisador de Massa Após a ionização da amostra seção 3 o feixe de elétrons é acelerado por um campo elétrico até um analisador de massa que separa a mistura de ions formada de acordo com suas razoes mz Ele é o coração do espectrômetro de massas Logo existem vários métodos e tipos de analisadores de massa Dentre eles podemos destacar os analisadores de massa de setor magnético foco duplo quadrupolar e por tempo de voo TOF PAVIA et al 2015 SILVERSTEIN et al 2019 121 Analisador de Massa de Setor Magnético De modo geral no analisador de massa de setor magnético os ions passam por um campo magnético entre os polos de um imã permanente ou eletroimã traçando uma rota curva conforme apresentado na Figura 4 As particulas com razão mz grandes ou pequenas demais batem nas laterais do tubo analisador curvo e não chegam ao detector enquanto as particulas com mz correta atravessam o tubo analisador e chegam ao detector O método não pode ser aplicado para detecção de íons de apenas uma massa O gráfico obtido por esse método é dado pelo número de ions versus seus valores mz SKOOG HOLLER NIEMAN 2002 PAVIA et al 2015 Métodos Físicos de Análise 7 Figura 4 Esquema de um analisador de massa do setor magnético Fonte Adaptada de Skoog Holler e Nieman 2002 e Pavia et al 2015 122 Analisador de Massa de Foco Duplo No analisador de foco duplo Figura 5 as particulas que saem da câmara de ionização atravessam uma região de campo elétrico antes ou depois do setor magnético o que possibilita viajarem na mesma velocidade A resolução desse tipo de analisador em relação ao setor magnético é dez vezes melhor PAVIA et al 2015 Figura 5 Analisador de foco duplo Fonte Adaptada de Pavia et al 2015 123 Analisador de Massa Quadrupolar Um analisador de massa quadrupolar Figura 6 é composto de quatro barras sólidas paralelas na direção do feixe de ions Nesse tipo de analisador uma voltagem de corrente continua CC e uma radiofrequência RF são aplicadas às barras gerando um campo eletrostático oscilante na região entre as barras Ions com uma mz incorreta pequena demais ou grande demais passam por uma oscilação instável enquanto os Ions com mz correta passam por uma oscilação estável de amplitude constante e pelos eixos do quadrupolo com uma trajetória do tipo sacarolhas Métodos Físicos de Análise 8 Figura 6 Analisador quadrupolar Fonte Pavia et al 2015 124 Analisadores de Massa por Tempo de Voo TOF O analisador de massa TOF Figura 7 baseiase na ideia de que as velocidades de dois ions criados no mesmo instante com a mesma energia cinética variarão conforme a massa dos ions o ion mais leve será mais rápido Diferentemente dos analisadores apresentados o analisador TOF não possui limite superior para massa efetiva e apresentam alta sensibilidade A grande desvantagem do analisador TOF é sua inevitável baixa resolução em virtude da sua resolução de massa ser proporcional ao tempo de voo do ion logo o uso de tubos maiores aumenta a resolução Figura 7 Analisador TOF Fonte Adaptada de Pavia et al 2015 2 Fundamentos Aplicados à Fragmentação Química Na espectrometria de massas com ionização por impacto de elétrons EIMS as moléculas são bombardeadas por elétrons de alta energia dentro da câmara de ionização como pode ser visto no Esquema 1 Como resultado dessa colisão moléculaselétrons as moléculas da amostra perdem um elétron dando origem a um cátion radical ou ion molecular um elétron desemparelhado e uma carga liquida positiva 1 espécie altamente energética Os ions formados nesse processo podem apresentar um número impar de elétrons OE e massa par quando não apresenta N ou número par de elétrons EE e massa impar PAVIA et al 2015 Métodos Físicos de Análise 9 Esquema 1 Formação do ion molecular a partir da ionização por impacto de elétrons Fonte Adaptado de Solomons 2018 A facilidade de remoção de um elétron é pelo processo de ionização da amostra segue a seguinte ordem é de orbital não ligante n é de um orbitais π é um orbital 𝞼 Essa caracteristica pode ser observada nos exemplos ilustrados no Quadro 1 PAVIA et al 2015 Perda de um elétron é orbital não ligante orbital 𝝅 orbital σ ou Quadro 1 Exemplos de perda de um elétron por orbital não ligante orbital e orbital σ Fonte Adaptado de Pavia et al 2015 I As reaçoes que ocorrem em um espectrômetro de massas são unimoleculares não envolvem colisoes entre moléculas ou ions A baixa pressão da câmara de ionização torna improvável que ocorra um numero significativo de colisões bimoleculares II A fragmentação ocorre na fase gasosa com um ion em estado vibracional altamente excitado III A movimentação de um é nos mecanismos é feita com setas de uma única farpa anzol e de dois é por uma seta cheia IV As abundâncias relativas de ions intensidades dos picos são importantes 21 Processos Fundamentais de Fragmentação Daremos continuidade aos nossos estudos discutindo sobre os processos fundamentais de fragmentação e suas principais caracteristicas 211 Regra de Stevenson Segundo essa regra a fragmentação mais provável é a que deixa a carga positiva no fragmento com a energia de ionização mais baixa formando ions mais estáveis A regra do número de elétrons par define que Métodos Físicos de Análise 10 Um OE pode ser fragmentado de duas formas I Segmentação de uma ligação para criar um EE e um radical R o mais comum II Segmentação de ligaçoes para criar outro OE e uma molécula neutra de camada fechada N Um EE por sua vez pode ser fragmentado de uma única maneira I Segmentação de ligaçoes para criar outro EE e uma molécula neutra de camada fechada N As segmentaçoes que levam à formação de carbocátions mais estáveis são preferiveis Quando puder ocorrer a perda de mais de um radical possivel a Regra de Stevenson seguirá a seguinte ordem de facilitação da fragmentação H3C RCH2 R2CH R3C H2C CHCH2 HCCCH2 C6H5CH2 difícil fácil 212 Segmentação Iniciada no Sítio Radical Segmentação α Esse tipo de segmentação de ligação é um dos mais conhecidos e envolve a quebra de um átomo vizinho na posição α a um sitio radical As segmentaçoes α podem ocorrer em áreas saturadas e não saturadas que podem ou não envolver um heteroátomo identificado como Y na Figura 8 Figura 8 Exemplos de segmentação α Fonte Pavia et al 2015 213 Segmentação iniciada em sítio carregado segmentação indutiva Diferentemente da segmentação α que ocorre em OE a segmentação indutiva ocorre em OE ou em EE a partir da atração de um par de elétrons por um heteroátomo eletronegativo que acaba como um radical ou como uma molécula neutra de camada fechada PAVIA et al 2015 Figura 9 Métodos Físicos de Análise 11 Figura 9 Exemplos de segmentação indutiva Fonte Pavia et al 2015 214 Segmentação de Duas Ligaçoes Esse tipo de fragmentação envolve a segmentação simultânea de duas ligaçoes Nesse processo ocorre uma eliminação com formação de um novo cátion radicalar OE e um fragmento N neutro com número par de elétrons água haleto de hidrogênio ou um alceno como apresentado na Figura 10 SOLOMONS 2018 PAVIA et al 2012 Figura 10 Exemplos de segmentação de duas ligaçoes Fonte Pavia et al 2015 215 Segmentação Retro DielsAlder e Rearranjo McLafferty Esse tipo de segmentação ocorre em anéis de seis membros não saturados produzindo os precursores hipotéticos dos derivados do ciclohexeno e um alceno neutro A Figura 11 apresenta essa fragmentação e mostra que o elétron desemparelhado e a carga permanecem com o fragmento dieno conforme a Regra de Stevenson PAVIA et al 2012 Métodos Físicos de Análise 12 Figura 11 Exemplo de segmentação retro DielsAlder Fonte Pavia et al 2015 No rearranjo de McLafferty um átomo de hidrogênio em um átomo de carbono a três átomos de distância do cátion radical de um alceno areno carbonila ou imina conhecido como hidrogênio γ é transferido para a área carregada por meio de um estado de transição de seis membros com segmentação concorrente da ligação sigma entre as posiçoes α e β da cadeia Esse processo resulta em um novo cátion radical e um alceno com uma ligação π entre os carbonos β e γ originais O mecanismo dessa segmentação é normalmente representado como um processo consertado como na Figura 12 SOLOMONS 2018 PAVIA et al 2012 Figura 12 Exemplo de rearranjo de McLafferty Fonte Pavia et al 2015 22 Padrão de Fragmentação Cada classe de composto orgânico apresenta um perfil de fragmentação e utiliza as diferentes formas de segmentação estabilização por ressonância ou rearranjos Neste tópico serão abordados o padrão de fragmentação de alcanos alcenos alcinos álcool fenol aldeido éster ácido carboxilico e amina 221 Fragmentação de alcanos Os espectros de massa de alcanos são caracterizados por picos de ion molecular fortes e uma série regular de picos de ion fragmento separados por 14 unidades de mz Alcanos de cadeia linear têm fragmentos que são sempre carbocátions primários por causa da sua estabilidade A intensidade significativa do pico do íon molecular de alcanos de cadeias lineares ocorre em virtude da preservação de um numero significativo de moléculas originais no processo de ionização Nesse sentido o efeito de ramificação da cadeia na intensidade do pico do íon molecular pode ser entendido examinandose como hidrocarbonetos passam por fragmentação Podemos analisar os picos dos ions moleculares do octano e do 224trimetilpentano destacados na Figura 13 O pico do ion molecular do octano é mais intenso em comparação com o pico do 224trimetilpentano SOLOMONS 2018 PAVIA et al 2012 Métodos Físicos de Análise 13 Figura 13 Comparação de intensidade do pico do ion molecular do octano e do 224trimetilpentano Fonte Adaptado de Pavia et al 2015 A quebra de ligações carbonocarbono de alcanos de cadeia ramificada pode levar a carbocátions secundários ou terciários Nos cicloalcanos os padroes de fragmentação podem apresentar grupos de massa arranjados em uma série semelhante à dos alcanos Entretanto o modo mais significativo de segmentação dos cicloalcanos envolve a perda de uma molécula de eteno H2C CH2 mz 28 seja da molécula original seja do OE intermediário conforme observado na Figura 14 SOLOMONS 2018 PAVIA et al 2012 Figura 14 Espectro de massa do ciclopentano Fonte Pavia et al 2015 Métodos Físicos de Análise 14 222 Fragmentação de Alcenos Quando alcenos passam por processos de fragmentação Figura 15 os ions fragmentos resultantes têm fórmulas correspondentes a CnH2n e CnH2n1 Os principais fragmentos encontrados nos espectros de massa são mz 15 mz 29 mz 42 mz 57 O fragmento em mz 42 no espectro do 1penteno é formado a partir de um rearranjo do tipo de McLafferty do ion molecular PAVIA et al 2012 Figura 15 Espectro de massa do pent1eno Fonte Pavia et al 2015 Os cicloalcenos apresentam picos de ion molecular bem distintos dos demais alcenos e padrão de fragmentação que corresponde a uma reação retro DielsAlder Em muitos cicloalcenos a migração de ligaçoes gera espectros de massa virtualmente idênticos impossibilitando a localização da posição da ligação dupla em um cicloalceno particularmente um ciclopenteno ou um ciclohepteno No espectro de massa do monoterpeno limoneno o pico intenso em mz 68 corresponde ao fragmento dieno que surge da fragmentação retro Diels Alder exemplificada na Figura 16 Figura 16 Espectro de massa do limoneno Fonte Adaptado de Pavia et al 2015 Métodos Físicos de Análise 15 223 Fragmentação de alcinos Os alcinos apresentam picos de ion molecular bem intensos e padrão de fragmentação semelhante aos alcenos Os principais fragmentos são o mz 39 do ion propargila resultante da perda de um radical etila por segmentação α o mz 53 cátions popargilicos estabilizados por ressonância perda de um radical metila em uma segmentação α do pent2ino o mz 67 no pent1ino M1 forte perda do hidrogênio terminal como mostrado na Figura 17 PAVIA et al 2012 Figura 17 Espectro de massa do pent2ino e pent1ino Fonte Pavia et al 2015 224 Fragmentação de Hidrocarbonetos Aromáticos Os espectros de massa da maioria dos hidrocarbonetos aromáticos Figura 18 apresentam picos de ion molecular muito intensos com a fragmentação do anel benzênico exigindo grande quantidade de energia O principal fragmento dos benzenos alquilsubstituidos é mz 91 cátion benzila rearranjo para ion tropilio relativamente estável resultante da perda de um átomo de hidrogênio ou de um grupo metila Quando a cadeia lateral anexa a um anel benzênico contém três ou mais carbonos podemse observar ions formados por rearranjo de McLafferty SOLOMONS 2018 PAVIA et al 2012 Figura 18 Espectro de massa do tolueno Fonte Adaptado de Solomons 2018 Pavia et al 2015 Métodos Físicos de Análise 16 225 Fragmentação de Alcoóis e fenóis Os espectros de massa dos Alcoóis apresentam picos de ion molecular muito baixos primários e secundários ou ausentes terciários Esses compostos sofrem a quebra rápida de uma ligação carbonocarbono próxima ao oxigênio gerando um cátion estabilizado por ressonância Duas fragmentaçoes comuns em alcoóis são segmentação α adjacente ao grupo hidroxila e desidratação Os cátions obtidos a partir de um álcool terciário são os mais estáveis devido aos grupos R doadores de elétrons Álcoois primários produzem um pico em mz 31 Figura 19 enquanto álcoois secundários produzem picos em mz 45 59 73 e álcoois terciários mz 59 73 87 SOLOMONS 2018 PAVIA et al 2012 Figura 19 Espectro de massa do pent1ol Fonte Adaptado de Solomons 2018 Pavia et al 2015 Os espectros de massa de fenóis Figura 20 mostram picos fortes de ion molecular e apresentam ion molecular de mz 94 M 1 M 28 e M 29 Figura 20 Espectro de massa do fenol Fonte Pavia et al 2015 226 Fragmentação de Aldeídos Os espectros de massa dos Aldeidos alifáticos Figura 21 apresentam picos de ion molecular fracos enquanto aldeidos aromáticos apresentam sinais fortes Os principais fragmentos que mz 29 M 29 M43 mz 44 alifáticos e M 1 e M 29 aromáticos são gerados por segmentação α e β O pico em mz 29 presente em aldeidos com quatro ou mais carbonos é devido principalmente ao ion C2H5 da parte hidrocarbônica Métodos Físicos de Análise 17 Se a cadeia de carbono ligada ao grupo carbonila possuir no minimo três carbonos provavelmente ocorrerá um rearranjo de McLafferty SOLOMONS 2018 PAVIA et al 2012 SILVERSTEIN et al 2019 Figura 21 Espectro de massa do Valeraldeido Fonte Adaptada de Pavia et al 2015 227 Fragmentação de Cetonas Os espectros de massa de cetonas mostram um pico de ion molecular intenso Os principais fragmentos são mz 43 M15 M 29 M43 mz 42 83 mz 43 mz 58 72 86 alifáticos e mz 105 120 aromáticos são gerados principalmente por segmentação α que provocam a perda de grupos alquila anexos ao grupo carbonila preferencialmente o maior dos dois grupos alquilas anexo a carbonila com a carga permanecendo no ion acilio que é estabilizado por ressonância PAVIA et al 2012 SILVERSTEIN et al 2019 Figura 22 Espectro de massa da butanona Fonte Pavia et al 2015 228 Fragmentação de Ésteres Os ésteres apresentam picos de ion molecular fracos nos espectros de massa de ésteres de metila A mais importante fragmentação de ésteres é uma segmentação α que envolve a perda do grupo alcoxi para formar o ion acilio correspondente Outros picos importantes são M 31 mz 43 e 59 PAVIA et al 2012 Métodos Físicos de Análise 18 Figura 23 Espectro de massa da butirato de metila Fonte Adaptado de Pavia et al 2015 229 Fragmentação de Ácidos Carboxílicos Os Ácidos Carboxilicos alifáticos apresentam picos de ion molecular fracos enquanto aldeidos aromáticos apresentam sinais fortes Os principais modos de fragmentação são parecidos com os dos ésteres de metila com perda de OH e COOH por segmentação α em ambos os lados do grupo CO de cadeias curtas Principais picos M 17 M 45 mz 45 60 alifáticos M 17 M 45 M 18 PAVIA et al 2012 Figura 24 Espectro de massa do ácido butirico Fonte Adaptado de Pavia et al 2015 SILVERSTEIN et al 2019 2210 Fragmentação de Aminas As aminas apresentam picos de ion molecular fracos ou ausentes Os principais modos de fragmentação surgem por segmentação α com o fragmento mz 30 Métodos Físicos de Análise 19 Figura 25 Espectro de massa da Etilamina Fonte Adaptado de Pavia et al 2015 3 Equipamento de Espectrometria de Massas Fonte e Detecção Neste tópico vamos discutir sobre o equipamento de espectrometria de massas e sua relevância para quantificação de compostos conhecidos e apoio na elucidação estrutural de moléculas 31 Fontes de Ionização Dando continuidade aos nossos estudos abordaremos sobre as diferentes fontes de ionização e seus aspectos 311 Ionização por elétrons EI O método mais simples e comum de converter a amostra em ions é a ionização por elétrons EI Nele a amostra é bombardeada por um feixe de elétrons de alta energia energia de ionização entre 8 e 15 eV a partir de um filamento aquecido até vários milhares de graus Celsius Esse choque leva à formação de cátions que são repelidos e direcionados pelas placas aceleradoras até as fendas colimadoras que uniformizam o feixe de ions A energia necessária para remover um elétron de um átomo ou de uma molécula é seu potencial de ionização ou energia de ionização PAVIA et al 2015 Figura 26 Câmara de Ionização de elétrons Fonte Adaptada de Pavia et al 2015 Métodos Físicos de Análise 20 312 Ionização Química Na ionização quimica CI as moléculas da amostra são combinadas com excesso de um fluxo de gás reagente ionizado A colisão entre amostra e gás reagente préionizado propicia a ionização por vários mecanismos como transferências de prótons transferência de elétrons e formação de adutos A principal caracteristica dos gases e liquidos utilizados na CI é a alta volatilidade Os reagentes ionizantes comuns mais comuns utilizados na espectrometria de massasionização quimica CIMS são hidrogênioH3 metanoCH5 C2H5 amôniaNH4 isobutanoCH33C metanolCH3OH2 e acetonitrilaCH3CNH PAVIA et al 2015 Gás reagente íon reagente Afinidade protônica Kcalmole Fragmentação H2 H3 101 significativa CH4 CH5 C2H5 132 H2 NH3 NH4 204 Pequena CH33 CH CH33C 196 Pequena CH3OH CH3OH2 182 Entre CH4 e CH33CH CH3CN CH3CNH 188 Entre CH4 e CH33CH Tabela 1 Principais gases de ionização Fonte Adaptada de Pavia et al 2015 As equaçoes abaixo mostram como ocorre um processo de ionização quando o gás reagente é amônia A variação do gás reagente possibilita a variação de seletividade da ionização e o grau de fragmentação dos íons A afinidade protônica do gás reagente à amostra deve ser levada em consideração no processo de escolha visando a ausência de fragmentação excessiva Quanto maior a diferença entre a afinidade protônica da amostra e a do gás mais energia é transferida para a amostra durante a ionização Na Figura 27 o espectro CI MS usando metanol o ion molecular protonado é muito pequeno enquanto que o ion protonado em mz 137 é bem destacado quando o gás reagente usado é o isobutanol Quando a amônia é utilizada o ion molecular protonado será o mais abundante pico basal e quase não se observará nenhuma fragmentação PAVIA et al 2015 Métodos Físicos de Análise 21 Figura 27 Comparação de CIMS do acetato de lavandulia usando metanol acima isobutanol meio e amônia baixo Fonte Adaptada de Pavia et al 2015 313 Técnicas de Ionização por Dessorção SIMS FAB e MALDI Diferentemente do que ocorre em EI e CI que exigem amostras de baixo peso molecular voláteis nas técnicas de ionização por dessorção moléculas grandes não voláteis são dissolvidas ou dispersas em uma matriz e colocada no caminho de um feixe de ions de energia alta 1 a 10 keV SIMS de átomos neutros FAB ou de fótons de alta intensidade MALDI conforme mostrado na Figura 28 O glicerol tioglicerol e dietanolamina são algumas das matrizes comuns para SIMS e FAB enquanto ácido nicotinico ácido sinápico e ditranol são utilizados para MALDI PAVIA et al 2015 Figura 28 Representação esquemática das técnicas de ionização por dessorção SIMS FAB e MALDI Fonte Adaptada de Pavia et al 2015 Métodos Físicos de Análise 22 314 Ionização por eletrospray ESI Na ionização por eletrospray uma solução contendo as moléculas da amostra é borrifada na ponta de um tubo capilar fino para dentro de uma câmara aquecida em pressão quase atmosférica O potencial de alta voltagem do tubo expulsa pequenas goticulas carregadas para dentro da câmara de ionização E estas passam por uma secagem de solvente por meio de um contrafluxo de um gás nitrogênio e são posteriormente levadas à fase gasosa Figura 29 Essa técnica é muito útil para estudar biomoléculas com peso molecular alto e outros compostos não voláteis PAVIA et al 2015 Figura 29 Processo de ionização por eletrospray ESI que mostra evaporação por campo e explosão coulômbica Fonte Adaptada de Pavia et al 2015 32 Detecção O detector baseiase no conceito simples do copo de Faraday um copo de metal colocado no caminho de ions provenientes do analisador de massa É composto de um contador que produz uma corrente proporcional ao número de ions que o atingem Usase circuitos multiplicadores de elétrons para que a medida seja tão precisa a ponto de medir a corrente causada por apenas um ion que bata no detector Quando o ion bate na superficie do multiplicador de elétrons dois elétrons são ejetados A diferença de potencial de aproximadamente 2 kV entre a abertura e o fim do detector puxa o elétron ainda mais para dentro do multiplicador de elétrons e todos os elétrons batem novamente na superficie e cada um deles causa a ejeção de mais dois elétrons Esse processo continua até chegar à extremidade do multiplicador de elétrons e a corrente elétrica é analisada e registrada pelo sistema de dados O sinal do detector é enviado para um registrador que produz o espectro de massa O ion formado com maior abundância na câmara de ionização gera o pico mais alto no espectro de massa chamado de picobase PAVIA et al 2015 Métodos Físicos de Análise 23 4 b oA As Tubo multiplicador ciéerons de eléteons Tubo multiplicador Passo 2 Calcular o indice de deficiéncia de hidrogénio Feixe de ions secundarios secundarios J incidente a Método VA id As Hid A Hid As A IDH Carbono Hi 1 4 I 1 wd Feixe de i VF ncgene 2 Trajetoria Método II F de elétrons ow XK Secundarios Formula geral para hidrocarbonetos aciclico e saturado CH Logo Producéo de eletrons devese usar essa formula e comparala com a formula molecular contendo o heteroatomo para determinar a diferengca no numero de H Figura 30 Representagao esquematica de um multiplicador de elétrons de canal curvo a e linear b Fonte Adaptada de Pavia et al 2015 Exemplo CH0 Exercicio resolvido Formula geral para hidrocarbonetos CH n7 Um composto com formula molecular CHO tem uma absorao forte Diferenga de H 2 no IV em 1730 cm O seu espectro de massa inclui picos com mz 44 IDH 2 1 pico base e mz 29 Proponha uma estrutura para 0 composto e escreva 2 as equacoes de fragmentacgao que explicam como os picos com esses valores de mz sao formados Uma insaturacgao corresponde a uma ligagao dupla ou um anel Resolucado Aplicando os dois metodos no exercicio CHO temse Passo 1 Calcular a massa molar a partir da formula molecular IDH 4 3 11 C44x 12 48 gmol Formula geral CH H88x 1 84gmol e a QO 1x16169mol ormula molecular CH 72 gmol Diferenga de H 22 1 Hl Meétodos Fisicos de Analise Logo o grau de insaturação de C4H8O é 1 que pode corresponder a um anel ou dupla ligação Passo 3 Analisar os dados de infravermelho e as fragmentaçoes do espectro de massa A absorção forte no IV em 1730 cm1 sugere uma carbonila CO que representa a insaturação do IDH O padrão de fragmentação sugere um aldeido alifático butanal massa molar 72 gmol O pico em mz 44 pico base é resultante de um rearranjo de McLafferty enquanto mz 29 é atribuido à formação de HCO Logo a estrutura proposta e as possiveis fragmentaçoes são Se o exercicio fornecesse apenas a massa molar seria necessário aplicar a regra do treze Fonte Pavia et al 2015 É inegável que a espectrometria de massas é uma técnica importante para a análise tanto de moléculas conhecidas quanto desconhecidas Logo conhecer os principios que a norteiam garante maior facilidade na compreensão e elucidação de um espectro de massa Os métodos de ionização e os tipos de analisadores a serem usados dependerão da natureza da amostra Os padroes de fragmentação caracteristicos de cada classe de compostos orgânicos funcionam como uma impressão digital da molécula e reconhecêlos é uma importante ferramenta de análise do espectro de massa Os compostos orgânicos apresentam padroes de fragmentação caracteristicos que estão baseados em segmentaçoes α indutiva ressonância e rearranjos Por fim a espectrometria de massas complementa as demais técnicas de análise RMN infravermelho Raman e UVVis no processo de elucidação de moléculas e continua tendo seu alcance aperfeiçoado Métodos Físicos de Análise 25 Referências COLNAGO L A ALMEIDA F C L VALENTE P Espectrometria de Massas e RMN Multidimensional e Multinuclear Revolução nos Estudos de Macromoléculas Biológicas Química Nova na Escola v16 p914 2002 PAVIA D L et al Introdução à espectroscopia São Paulo Cengage Learning 2015 SILVERSTEIN R M et al Identificação espectrofotométrica de compostos orgânicos 8 ed Rio de Janeiro LTC 2019 SKOOG A D HOLLER F J NIEMAN T A Princípios de análise instrumental 5 ed Porto Alegre Bookman 2002 SOLOMONS T W et al Química orgânica 12 ed Rio de Janeiro LTC 2018 Métodos Físicos de Análise 26