Ćw. 3 Spektrometria mas. Analiza składu mieszaniny węglowodorów z wykorzystaniem chromatografii gazowej sprzężonej ze spektrometrią mas.

1. Wstęp teoretyczny

Spektrometria masowa jest nowoczesną techniką analityczną pozwalającą na dokładny pomiar masy. Podstawą działania każdego spektrometru masowego, bez względu na konstrukcję, jest jonizacja cząsteczek badanej substancji, co umożliwia przyspieszenie jej w polu elektrycznym w próżni. Jonizację próbki można przeprowadzić za pomocą jednej z kilku metod. Heterogeniczny strumień jonów (dodatnich lub ujemnych) zostaje rozdzielony na szereg składowych, zależnie od stosunku masy do ładunku (m/z). W przypadku jonów naładowanych dodatnio, masa próbki mierzona w spektrometrze jest powiększona o masę protonu lub protonów przyłączonych do cząsteczki analizowanej substancji. Dla jonów naładowanych ujemnie masa próbki pomniejszona jest o masę protonu lub protonów oderwanych od cząsteczki analizowanej substancji. Jonizacja elektronami (EI) jest tu wyjątkiem i metoda ta powoduje jedynie wybicie elektronu bez przyłączania protonu. Istnieje możliwość oznaczenia m/z substancji nie jonizujących się poprzez dołączenie (reakcja chemiczna lub oddziaływanie fizyczne) podstawnika obdarzonego ładunkiem lub podlegającego jonizacji (tzw. derywatyzacja) lub poprzez utworzenie adduktów np. z sodem lub potasem.

Budowa spektrometru masowego
:

układ wprowadzania próbki
źródło jonów
analizator jonów
detektor jonów
analiza danych  

Źródła jonów - metody jonizacji próbki
:

Istnieje wiele metod jonizacji cząsteczek w spektrometrach mas. Do metod najczęściej używanych należą:

• Jonizacja elektronami (Electron Ionisation - EI) - jonizacja przy pomocy wiązki elektronów. Jonizacja odbywa się w próżni. Metoda ta powoduje zwykle fragmentację badanych cząsteczek. EI charakteryzuje się stosunkowo małą wydajnością - poniżej 1% cząsteczek ulega jonizacji

• Elektrorozpylanie (Electrospray, ESI), polegające na rozpylaniu cieczy zawierającej badaną substancję z igły, do której przyłożono wysokie napięcie (zwykle 1 - 5 kV) pod ciśnieniem atmosferycznym. Jest to jedna z łagodnych metod jonizacji - zwykle nie powoduje fragmentacji badanych cząsteczek.

• Jonizacja chemiczna (Chemical Ionisation, CI) - jony wytwarzane są na skutek zderzeń cząsteczek badanego związku chemicznego z jonami pierwotnymi obecnymi w źródle jonów. Jest to metoda nie powodująca fragmentacji cząsteczek (łagodna jonizacja). Jonizacja odbywa się zwykle przy ciśnieniu rzędu 60 Pa.

• Bombardowanie szybkimi atomami (Fast-Atom Bombardment FAB), polegającą na bombardowaniu cząsteczki obojętnymi atomami o wysokiej energii (zwykle 17 lub 70 eV). Cząsteczki mogą znajdować się w fazie gazowej lub być rozpuszczone w ciekłej, mało lotnej substancji (matrycy) np. glicerolu.

• Bombardowanie jonami (spektrometria mas jonów wtórnych - Secondary Ion Mass Spectrometry - SIMS)

• Desorpcja laserowa (Laser Desorption - LD) - w której jonizacja następuje przez naświetlanie próbki silnym laserem, a zatem bombardującymi cząstkami są wysokoenergetyczne fotony.

• Desorpcja laserowa z udziałem matrycy (Matrix Assisted Laser Desorption Ionisation - MALDI) - w której stosuje się jonizację laserową, ale z tak dobraną energią wiązki, aby nie doprowadzać do fragmentacji cząsteczek (łagodna metoda jonizacji), lecz tylko do ich "wybijania" ze specjalnie przygotowanej matrycy.

• Plazma wzbudzona indukcyjnie (ICP) - jonizowana substancja jest wprowadzana do plazmy płomienia palnika znajdującego się w kwarcowej rurze. Metoda nadaje się doskonale do analizy pierwiastków metalicznych.

Wiele metod jonizacji cząsteczek takich jak FAB, EI i LD prowadzi do fragmentacji cząsteczek chemicznych w trakcie jonizacji, co powoduje, że różne spektrometry mogą generować różne widma dla tego samego związku chemicznego.

Podstawowe definicje:

Jon molekularny - jon o masie równej masie cząsteczkowej badanej próbki (z dokładnością do masy elektronu), powstający w wyniku oderwania lub rzadziej przyłączenia przez cząsteczkę elektronu (pik molekularny to pik mu odpowiadający)

Jon podstawowy-odpowiada mu pik o największej intensywności

Jon pseudomolekularny-jon powstający w wyniku przyłączenia prostego jonu (najczęściej H⁺, Na⁺,Cl^-) do cząsteczki badanego związku lub oderwania od niej jonu H⁺.

Jon fragmentacyjny - jon powstały w wyniku spontanicznej fragmentacji cząsteczki badanej substancji (np. podczas jonizacji metodą EI). Dostarcza informacji o strukturze substancji analizowanej.

Piki izotopowe-piki towarzyszące pikowi molekularnemu, odpowiadające jonom różniącym się od jonu molekularnego składem izotopowym.

Reguła azotu-parzysta masa jonu molekularnego odpowiada parzystej ilości at. N w cząsteczce związku bądź ich nieobecności (wynika to z faktu, że azot jako jedyny pierwiastek wchodzący w skład zw. organicznych posiada parzystą masę atomową i tworzy nieparzystą liczbę wiązań)

2. Wykonanie

Analizie w spektometrze mas EI sprzężonym z chromatografem gazowym poddano mieszaninę 3 związków organicznych (toluenu, chlorobenzenu, pentan-2-olu). Na kolumnie chromatograficznej zastosowano próżnię rzędu 10^-5Tr. Zakres rejestracji m/z ustawiono w przedziale 15-200.

Jako wynik analizy uzyskano chromatogram badanej mieszaniny i widma masowe związku o czasie retencji 4,826min (zwane dalej widmem nr1), związku o czasie retencji 5,303min (zwane dalej widmem nr2), związku o czasie retencji 6,401min (zwane dalej widmem nr3).

Podstawą oznaczenia jest analiza jonów molekularnych i jonów fragmentacyjnych rozdzielonych na kolumnie chromatograficznej związków, tworzących się w źródle EI jonów w spektrometrze mas zgodnie z następującymi równaniami:

M + e^- = M^.+ + 2e^-

M^.+ = A^.+ + B

3. Analiza otrzymanych wyników

Analiza chromatogramu

Na chromatogramie stwierdza się obecność 3 wyraźnych pasm pików, odpowiadających 3 składnikom badanej próbki. Występowanie pasm pików zamiast pojedynczych pików świadczy o obecności w próbce zanieczyszczeń eluujących wraz z badanymi składnikami.

Analiza widma nr1

• Pik molekularny to pik o m/z=87(kryterium wyboru jest następujące: ostatni pik w widmie cechujący się mierzalną intensywnością, bądź pik go poprzedzający o wartości m/z mniejszej o 1-2, jeśli jest bardziej intensywny), pozostałe piki o m/z większym niż 87 w skali widma są niemierzalne i pochodzą najprawdopodobniej od zanieczyszczeń). Jest to więc widmo pentan-2-olu, którego masa cząsteczkowa wynosi 88u. Pik m/z nie jest więc w istocie pikiem molekularnym a pikiem fragmentacyjnym odpowiadającym oderwaniu at. H przy węglu połączonym z gr. OH:

Zgodnie z mechanizmem:

(http://www.chem.uic.edu/web1/ocol/spec/MS2.htm)

• Nie obserwuje się pików izotopowych-względna zawartość ¹³C wynosi 1,11%, co przy intensywności piku m/z=87 daje praktycznie zerową intensywność pików izotopowych mu towarzyszących. Piki izotopowe spodziewamy się zaobserwować przy bardziej intensywniejszych pikach fragmentacyjnych o mniejszych wartościach m/z.

• Przy m/z =73=87-15 obserwuje się intensywny pik fragmentacyjny odpowiadający utracie grupy metylowej (m/z=15)-co potwierdza alifatyczny charakter związku:

(http://www.chemistry.ccsu.edu/glagovich/teaching/316/ms/alcohol.html).

Towarzyszy mu pik m/z=74. Stosunek intensywności obu pików ma się jak 2:45=0,04444… Prawdopodobieństwo, że jeden z czterech at. C jonu fragmentacyjnego :

będzie atomem izotopu C-13 wynosi 4*0,0111=0,0444, zaś prawdopodobieństwo, że wszystkie będą C-12 wynosi 0,9889⁴=0,9563; stosunek obu wartości wynosi 0,0464-odpowiada to stosunkowi intensywności pików. Pik m/z=74 jest więc pikiem izotopowym.

• Dalej obserwuje się bardziej intensywny pik przy m/z=55 , odpowiadający utracie cząsteczki wody według mechanizmu:

(http://www.chemistry.ccsu.edu/glagovich/teaching/316/ms/alcohol.html)

/W widmie widoczny jest również dosyć intensywny pik m/z=70 oraz pik izotopowy m/z=56, o odpowiednio mniejszej intensywności/

• Następnie widoczny jest pik m/z=45=73-28 (prawidłowość ta również potwierdza alifatyczny charakter związku):

http://www.chemistry.ccsu.edu/glagovich/teaching/316/ms/alcohol.html)

Towarzyszy mu pik izotopowy m/z = 46, o odpowiednio mniejszej intensywności.

• Dodatkowo obserwuje się piki m/z=57, m/z=43 i m/z=41, którym mogłyby odpowiadać następujące struktury alifatyczne:

(http://www.chem.uic.edu/web1/ocol/spec/MS2.htm)

Analiza widma nr 2

• Pik molekularny to pik m/z=92 (C₆H₅C⁺H₃)-wyboru dokonujemy jak uprzednio (towarzyszący mu pik m/z=93 znacznie mniej intensywny jest pikiem izotopowym odpowiadającym zastąpieniu jednego z 7 at. ¹²C at. ¹³C). Jest to więc widmo toluenu, którego masa cząsteczkowa wynosi 92u. Towarzyszący mu pik m/z=93 jest pikiem izotopowym odpowiadającym zastąpieniu jednego z 7 at. ¹²C at. ¹³C. Nietrudno też przypisać najbardziej intensywnemu pikowi m/z 91 strukturę niezwykle trwałego kationu benzylowego: [C₆H₅CH₂]⁺ o masie 91u.

• Dalej obserwuje się dosyć intensywny pik m/z=65, odpowiadający najprawdopodobniej anionowi cyklopentadienowemu (65u):

(http://www.chem.uic.edu/web1/ocol/spec/MS1.htm)

• Obecne są również inne piki potwierdzające, że jest to widmo związku aromatycznego. Widoczny jest intensywny pik m/z=51 odpowiadający [C₄H₃]⁺ oraz pik przy m/z = 27, odpowiadający [C₂H₃]⁺- obecne są, więc dwie strukturycharakterystyczne dla fragmentacji pierścienia benzenowego. Można także stwierdzić powstawanie niewielkiej ilości kationów fenylowych (pik m/z=77)

• Można się również doszukiwać w intensywnym piku m/z=39 struktury pochodzącej z fragmentacji związku aromatycznego ( [C₃H₃]⁺ ?)

Analiza widma nr3

• Pik molekularny to pik m/z =112 -wyboru dokonujemy jak wyżej. Jest to więc widmo chlorobenzenu, którego masa cząsteczkowa - 112u. Towarzyszący mu kilkakrotnie mniej intensywny pik m/z=114 jest pikiem izotopowym odpowiadającym zastąpieniu at. ³⁵Cl at. ³⁷Cl .

• Dalej obserwuje obserwuje się również intensywny pik przy m/z=77, który mógłby odpowiadać grupie fenylowej C₆H₅⁺; byłoby to zgodne z teoretycznie przewidywanym kierunkiem rozpadu jonu molekularnego chlorobenzenu.

• Obserwuje się również piki świadczące o aromatycznym charakterze próbki (pik m/z=51- pik [C₄H₃]⁺) oraz piki świadczące o obecności chloru (piki o zbliżonej intensywności o m/z=35-38, w przypadku widma nr2 w tym orzasze również występowały piki ale brak było piku m/z=35, a największą intensywnością cechował się pik m/z=39)

4. Wnioski

Spektroskopia masowa, zwłaszcza w połączeniu z innymi technikami, jest doskonałą metodą identyfikacji związków i ich struktury, co można zaobserwować na podstawie analizy uzyskanych wyników. Wymaga jednak wstępnej wiedzy o strukturze i charakterze związku. I tak bez zawężenia do identyfikacji 3 związków z widma nr 3 uzyskalibyśmy tylko informację, że jest to związek najprawdopodobniej, o charakterze aromatycznym, zawierający być może chlor połączony bezpośrednio z grupą fenylową o masie cząsteczkowej 112u. A w przypadku widma nr1 uzyskalibyśmy tylko informację, że masa związku wynosi 87u i że jest to związek łańcuchowy. Wynik przeprowadzonej identyfikacji widm należy uznać za całkowicie zgodny z rzeczywistością, pomimo obecności zanieczyszczeń, której raczej dały piki o niemierzalnej intensywności przy m/z większym od 100 i być może niektóre piki przy m/z poniżej 100-wśród tych ostatnich z całkowitą pewnością zidentyfikowano jednak wszystkie charakterystyczne jony fragmentacyjne pochodzące od rozpatrywanych związków.

 

 

     

---