Espectrometria de Massas - Fundamentos, Aplicações e Métodos de Ionização

Introdução à Espectrometria de Massas Prof João Cajaiba Importantes descobertas que viabilizaram o desenvolvimento da Espectrometria de Massas 1906 J J Thomson determinou a razão massacarga do elétron 1911 Wien determinou que os raios anódicos eram positivos 1918 A J Dempster construiu o primeiro espectrômetro de massas 19601970 Popularização do método de espectrometria de massas com a disponibilização de equipamentos com boa resolução e de menor custo Áreas de atuação e aplicações da Espectrometria de Massas Aplicações áreas de utilização Principais áreas de utilização Espectrometria de Massas Ambiental Monitoramento da qualidade da água e do ar Geologia Qualidade das reservas de petróleo Segurança e forense Detecção de drogas e explosivos Médica Detecção de marcadores em amostras biológicas Biotecnologia Sequenciar proteínas polissacarídeos Farmacêutica Todas as fases no desenvolvimento de fármacos Química Caracterização e identificação de moléculas Gerenciamento computadorizado do sistema Introdução de amostras Método de ionização Impacto de elétrons IE Ionização química CI Dessorção SIMS FAB MALDI Método de separação de íons Método de detecção da relação mz Processamento de dados Esquema Representativo de um Espectrômetro de Massas Métodos de Inserção de Analitos em Espectrômetros de Massas Sumário Inserção direta Acoplamento com cromatografias à gás à líquido Análise térmica TGA análise termogravimétrica Ionização por Impacto de Elétrons MSEI Sumário Os métodos de ionização em fase gasosa visando à formação de íons na espectrometria de massas se aplicam a compostos que tenham pressão de vapor da ordem de 106 mm Hg numa temperatura em que o composto seja estável Ionização por Impacto de Elétrons Vantagens Menor custo Se o íon molecular tiver tempo de vida superior a 105 s permite a determinação da massa molecular A análise da fragmentação do íon molecular permite a caracterização de funções orgânicas bem como a previsão de ramificações em cadeias alquila Boa reprodutibilidade Permite a comparação de picos manualmente ou por computador Essa característica é particularmente útil para a elucidação de estruturas Desvantagens Compostos facilmente fragmentáveis não geram o M pois apresentam tempos de vida muito curtos Dessa forma não podem ser detectados por EI Exige que as amostras sejam relativamente voláteis Por isso moléculas de alto PM como a maioria das biomoléculas não podem ser ionizadas por EI Ionização Química As moléculas do analito são combinadas com um fluxo de gás reagente ionizado Há um grande excesso do gás de arraste em relação ao analito A colisão analitogás reagente provoca a ionização de uma pequena parcela do analito Assim como na ionização por EI se aplica a moléculas que tenham uma certa volatilidade Reagentes ionizantes comuns Metano Amônia Isobutano Metanol Mecanismos de ionização química Transferência de próton Transferência de elétrons Formação de adutos Ionização Química com Metano CH4 e CH4 2 e CH4 CH4 CH5 H2 CH4 CH3 H CH3 CH4 C2H5 H2 M CH5 M H CH4 M C2H5 M C2H5 Ionização Química com amônia e isobutano NH3 e NH3 2 e NH3 NH3 NH4 NH2 M NH4 M H NH3 CH33CH e CH33CH 2 e CH33CH CH33C H M CH33C M H CH32CCH2 M CH33C M CCH33 Ionização EI x CI CH4 isobutano NH3 Composição isotópica e a Espectrometria de Massas Isótopo Principal Isótopo II Isótopo III em relação do isótopo principal em relação do isótopo principal carbono 12C C13 1100 hidrogênio 1H 2H 0016 nitrogênio 14N 15N 0380 oxigênio 16O 17O 0040 18O 020 flúor 19F silício 28Si 29Si 5100 30Si 335 fósforo 31P enxofre 32S 33S 0780 34S 440 cloro 35Cl 37Cl 3250 bromo 79Br 81Br 9802 Monóxido de carbono CO Peso molecular 28 Sumário pico base Íon molecular M Íon M1 etileno Peso 28 Sumário pico base Íon molecular M Íon M1 Íon M2 N2 Peso molecular 28 pico base Íon molecular M Íon M1 16 Regras gerais para previsão da formação de íons fragmento de maior intensidade O M tem maior altura relativa nos compostos de cadeia linear A intensidade diminui à medida que o grau de ramificação aumenta A intensidade do M usualmente diminui com o aumento do peso molecular em uma série homóloga Os ésteres graxos parecem ser uma exceção O processo de quebra é favorecido nas ligações dos átomos de carbono ramificados Quanto mais ramificado o átomo de carbono mais provável é a quebra Isso é uma consequência da maior estabilidade dos carbocátions terciários em relação aos secundários e destes em relação aos primários De modo geral a maior ramificação é mais rapidamente eliminada como radical Presumese que isso ocorra porque um radical de cadeia longa pode alcançar alguma estabilidade por deslocalização do elétron desemparelhado CH3 R2CH2 R3CH R3C Ligações duplas estruturas cíclicas e especialmente anéis aromáticos ou heteroaromáticos estabilizam o íon molecular aumentando a probabilidade de sua formação As ligações duplas favorecem a quebra alílica e dão origem a carbocátions alila estabilizados por ressonância Essa regra não funciona para alquenos simples por causa da migração rápida da ligação dupla mas funciona para cicloalquenos Fragmentaçõpes do Íon Mlecular O íon molecular M é um cátionradical consequentemente contém um número ímpar de elétrons Sua fragmentação por quebra de uma ligação simples pode ser Homolítica Heterolítica Regras gerais para a previsão da formação de íons moleculares e de alguns fragmentos comuns As ligações duplas favorecem a quebra alílica e dão origem a carbocátions alila estabilizados por ressonância Essa regra não funciona para alquenos simples por causa da migração rápida da ligação dupla mas funciona para cicloalquenos Os anéis saturados tendem a perder as cadeias laterais na ligação α Esse é um caso especial da regra das ramificações regra 3 A carga positiva tende a ficar no fragmento cíclico Os anéis insaturados podem sofrer uma reação do tipo retroDielsAlder Regras gerais para a previsão da formação de íons moleculares e de alguns fragmentos comuns Nos compostos aromáticos alquil substituídos a quebra é mais provável na ligação β em relação ao anel para dar o íon benzila estabilizado por ressonância ou como é mais provável o íon tropílio As ligações C C próximas de um heteroátomo frequentemente se quebram deixando a carga no fragmento que contém o heteroátomo cujos elétrons não ligantes estabilizam o fragmento por ressonância As quebras estão frequentemente associadas à eliminação de moléculas pequenas neutras e estáveis como monóxido de carbono alquenos água amônia sulfeto de hidrogênio cianeto de hidrogênio mercaptans ceteno ou álcoois muitas vezes com rearranjo Rearranjos Os íons rearranjados são fragmentos cuja formação não pode ser descrita pela quebra simples de ligações do íon principal Eles são produzidos pelo rearranjo intramolecular dos átomos durante a fragmentação São muito comuns os rearranjos que envolvem migração de átomos de hidrogênio em moléculas que contêm heteroátomos Um exemplo importante é o chamado rearranjo de McLafferty