INSTITUIA PUBLIC Universitatea de Stat DE MEDICIN I FARMACIE NICOLAE TESTEMIANUFacultatea FARMACIECATEDRA CHIMIE FARMACEUTIC I TOXICOLOGICTEZA DE CURS LA CHIMIA MEDICALSPECTROMETRIA DE MASA SI APLICAIILE EI IN PROIECTAREA MEDICAMENTULUIA efectuat: Frunza Iulia

Gr.4505

Chiinu 2015

CUPRINSCAPITOLUL 1

Introducere

1.1.Principii fundamentale

1.2.Utilizarea spectroscopiei de mas n chimia organic

1.3.Scurt istoric i perspective

CAPITOLUL 2

Aparatura

2.1.Introducerea probei

2.2.Surse de ioni i tehnici de ionizare

2.3.Analizoare

2.4.Detectoare

2.4.Sisteme de nregistrare

2.5.Prelucrarea datelor

CAPITOLUL 3

SPECTRUL DE MAS

3.1.Introducere

3.2.Clasificarea spectrelor de masa

3.3.Informaii analitice

3.4.Determinarea formulei moleculare cu aparate de nalt rezoluie

3.5.Determinarea formulei moleculare cu aparate de rezoluie joas. Abundene izotopice

CAPITOLUL 4

APLICATIILE SPECTROMETRIEI DE MASA

INTRODUCERE

Spectrometria de mas este cea mai sensibil metod de analiz structural. Ea difer fundamental de celelalte tehnici spectrale uzuale (rezonana magnetic nuclear, spectrometria n infrarou, n ultraviolet etc) prin faptul c nu implic utilizarea radiaiilor electromagnetice. Spectrometria de mas este inclus n tehnicile spectroscopice deoarece reprezentarea distribuiei unor mase funcie de abundenele relative este analog cu reprezentarea intensitii unor radiaii funcie de lungimea de und. Spre deosebire de celelalte tehnici spectrale, spectrometria de mas transform chimic proba care devine astfel nerecuperabil.

1.1. Principii fundamentale

Spectrometria de mas este o metod fizic utilizat, n special, pentru analiza substanelor organice ce const, n esen, n ionizarea substanei investigate, urmat de separarea ionilor obinui n funcie de raportul dintre mas i sarcin. Spectrul de mas reprezint nregistrarea maselor i a abundenelor relative ale ionilor obinui. Spectrul de mas este o caracteristic a fiecrui compus, iar identificarea ionilor rezultai n cursul fragmentrii permite, de multe ori, stabilirea complet a formulei structurale.

n cel mai simplu spectrometru de mas (figura 1.1), moleculele organice aflate n faz de vapori sunt bombardate cu un fascicul de electroni, avnd energia cuprins ntre 10-70 eV, pentru a fi transformate n ioni pozitivi cu energie nalt:

Datorit coninutului energetic ridicat, ionul

, denumit ion molecular sau ion-printe, va suferi, n continuare, procese complexe de fragmentare, ce vor conduce la formarea de fragmente ionice i neutre:

Dintre acestea, spectrometrul de mas analizeaz numai fragmentele ionice. Deoarece ionii au de parcurs o distan considerabil pn la colector, pentru a se evita ciocnirile dintre particulele pozitive sau dintre acestea i molecule neionizate, incinta aparatului este meninut la o presiune foarte joas ((10-6 - 10-7 mm Hg).

Figura 1.1.Schema de principiu a unui spectrometru de mas:

1. rezervor de vapori; 2. frit; 3. catod; 4. anod; 5. zon de accelerare; 6. fante de focalizare;

7. tubul analizorului; 8. magnet; 9. detector; 10. amplificator; 11. nregistrator.

Ionii formai n sursa de ioni sunt accelerai sub aciunea unei diferene de potenial, realizat ntre doi electrozi, i ajung apoi la analizor care are rolul de a-i separa n funcie de raportul mas/sarcin, dup deviere ntr-un cmp magnetic variabil. n acest mod ia natere un curent de ioni de la camera de ionizare spre detector, curent proporional cu numrul de ioni care l-a generat. Dup detectare-amplificare acest curent este nregistrat de ctre nregistrator, care furnizeaz astfel spectrul de mas.

Elementele principale ale unui spectrometru de mas sunt prezentate n figura 1.2.

Figura 1.2.

Schema bloc a unui spectrometru de mas

n figura 1.3. este prezentat spectrul de mas, n form normalizat, al 2-metilpentanului. Spectrul evideniaz o serie de caracteristici ale substanei investigate, dintre care cele mai importante sunt:

a. masa molecular este 86 u.a.m;

b. picul cel mai intens apare la m/e 43; aceasta arat c scindarea preferenial are loc ntre C2-C3, cu formarea celor mai stabili ioni;

c. picurile de la m/e 15, 29, 57, 71 indic fragmente rezultate din scindarea, direct sau indirect, a ionului molecular i care corespund unor ioni CH3+, C2H5+, C4H9+, respectiv C5H11+.

Analiza detaliat a zeci de mii de spectre a permis formularea unor legi semi-empirice referitoare la fragmentrile prefereniale suferite de moleculele organice. Aplicarea detaliat a acestor reguli la elucidarea structurii compuilor organici va fi discutat n capitolul 5.7.

Figura 1.3.

Spectrul de mas al 2-metilpentanului

1.2. Utilizarea spectroscopiei de mas n chimia organic

Chimia organic poate utiliza spectrometria de mas pentru elucidarea urmtoarelor aspecte principale:

1. determinarea masei moleculare. Este cea mai utilizat facilitate oferit de ctre spectrometria de mas. Posibilitatea determinrii masei moleculare se bazeaz pe procesul primar de formare a ionului molecular prin expulzarea unui electron din molecula investigat. Ionul astfel format va avea, practic, aceeai mas molecular cu molecula din care provine. Din acest motiv, identificarea ionului molecular reprezint o etap cheie n interpretarea unui spectru de mas;

2. determinarea formulei moleculare. Formula molecular a unui ion poate fi determinat direct dac este posibil msurarea cu o precizie de cel puin patru zecimale a masei moleculare. Aceasta precizie necesit aparate cu o rezoluie mai mare de 104 (spectrometre de mas de nalt rezoluie). Rezoluia necesar determinrii directe a formulei moleculare crete rapid odat cu creterea masei i a numrului de elemente prezente n molecul;

3. elucidarea structurii moleculelor. Stabilirea formulei structurale poate fi realizat, n unele cazuri, n urma interpretrii fragmentrilor suferite de ctre ionul molecular. Atribuirea structural poate fi fcut i prin compararea datelor spectrale cu cele existente n bibliotecile de spectre de mas;

4. stabilirea marcajelor izotopice. Spectrometria de mas este metoda standard pentru analiza rezultatelor experimentelor de marcare izotopic, experimente de o importan deosebit pentru evidenierea proceselor chimice ce au loc n organismele vii. Determinarea extrem de precis a abundenelor izotopice prezint o importan deosebit pentru geo-tiine i arheologie. Astfel, posibilitatea de a determina un raport 14C/12C = 1/1015 a permis datarea unui eantion de 40.000 de ani cu o precizie de 1 %. Spectrometria de mas permite stabilirea cu uurin a prezenei izotopilor i a poziiei acestora n molecul.

1.3. Scurt istoric i perspective

1886:E. Goldstein descoper ionii pozitivi;

1898:W. Wien face primele analize prin deflexie magnetic;

1912:J.J. Thomson (premiul Nobel n 1906) nregistrez primele spectre de mas ale O2, N2, CO, CO2, COCl2. A observat ioni negativi i ioni cu sarcini multiple. A descoperit ionii metastabili. A descoperit (1922) izotopii 20 i 22 ai neonului;

1918:A.J. Dempster construiete primul spectrometru de mas cu focalizare de direcie (magnet n form de sector);

1919:F.W. Aston (premiul Nobel, 1922) construiete primul spectrometru de mas cu focalizare de vitez. A msurat defectul de mas (1923);

1930:R. Conrad utilizeaz spectrometria de mas n chimia organic;

1934:W.R. Smythe, L.H. Rumbaug i S.S. West realizeaz prima separare preparativ a izotopilor;

1942:firma Consolidated Engeneering Corporation produce primul aparat comercial pentru Atlantic Refinery Company;

1948:A.E. Cameron descoper analiza prin msurarea timpilor de zbor ale ionilor (TOF);

1953:W. Paul (premiul Nobel, 1989) i H.S. Steinwedel descriu analizorul quadripolar i capcana de ioni;

1957:firma Kratos comercializeaz primul spectrometru cu dubl focalizare dup ce J. Beynon a artat importana analitic a determinrii exacte a maselor;

1958:apar primele spectrometre de mas cuplate la gaz-cromatograf;

1966:M.S.B. Munson i F.H. Field descoper ionizarea chimic;

1967:utilizarea primelor sisteme de tratare computerizat a datelor;

1972:J. Beynon descrie descompunerea ionilor metastabili;

1975:apar primele aparate de rutin GC/MS cu coloane capilare;

1980:H.L. Vestal descoper termospray-ul;

1981:M. Barber descrie ionizarea prin bombardament cu atomi rapizi, FAB;

1982:primul spectru complet al insulinei (5750 u.a.m.);

1985:F.H. Hillenkamp descoper Matrix Assisted Laser Desorption Ionization (MALDI);

1988: primele spectre ale proteinelor cu mase mai mari de 20.000 u.a.m.

Progresele tehnicilor experimentale i perfecionarea instrumentelor au condus la creteri spectaculoase ale rezoluiei i sensibilitii:

AnRezoluie, m/(mAutor

1913:13J.J. Thomson

1918:100A.J. Dempster

1919:130F.W. Aston

1937:2.000F.W. Aston

1991:2*108A.G. Marshall

Studiile efectuate de ctre Strategic Directions International (Los Angeles, California, SUA) prevd creterea spectaculoas a vnzrilor de spectrometre de mas n urmtorii 5 ani. n anul 1995 vnzrile de spectrometre de mas au totalizat 1,1 miliarde de dolari, comparativ cu anul 1991 cnd vnzrile au fost de numai 597 milioane de dolari. Raportul indic, de asemenea, apariia de noi tipuri de instrumente i tehnici; se ateapt ca spectrometrele cu timp-de-zbor s joace un rol din ce n ce mai mare n biotehnologie. Supravegherea factorilor de mediu va necesita utilizarea spectrometrelor de mas transportabile. Aceste date relev, o dat n plus, importana major pe care o are spectrometria de mas n prezent.

APARATURA

Dup cum s-a precizat n capitolul 1.1, un spectrometru de mas conine cinci seciuni principale:

1. seciunea de introducere a probei;

2. seciunea de ionizare i accelerare;

3. seciunea de separare a ionilor;

4. seciunea de colectare-detectare;

5. seciunea de amplificare-nregistrare.

2.1. Introducerea probei

Spectrometrul de mas analizeaz ioni aflai n faz gazoas. Modul de introducere a probei n aparat depinde esenial de modul de ionizare i de proprietile fizico-chimice ale substanei de analizat. n acest subcapitol vor fi prezentate, n principal, numai aspectele legate de introducerea probei n cazurile n care ionizarea se realizeaz prin impact electronic. n cazul celorlalte tehnici de ionizare, modul de introducere a probei rezult din tehnica general de lucru.

La introducerea probei n spectrometru de mas trebuie s se in seama de urmtoarele aspecte:

puritatea probei. Deoarece spectrometria de mas este o metod de analiz deosebit de sensibil, puritatea probei trebuie s fie extrem de mare. Prezena unor impuriti, chiar n cantitate mic, poate afecta foarte mult interpretarea spectrului, mai ales atunci cnd volatilitatea impuritii este mult mai mare dect a substanei analizate (n cazul extrem se nregistreaz numai spectrul impuritii);

volatilitatea probei. Iniial, una dintre dificultile majore ntlnite la nregistrarea spectrelor de mas era determinat de necesitatea ca substana de analizat s fie adus n stare de vapori. Compuii organici stabili i care prezint presiuni de vapori moderate la temperaturi de pn la 300 0C, la presiunea de circa 10-5 mm Hg din aparat, sunt introdui indirect (aa-numita introducere indirect), prin intermediul unei camere de vaporizare din care vaporii difuzeaz lent, printr-o frit, n camera de ionizare. Probele cu presiuni de vapori sczute (n general solidele) precum i cele care se descompun, se introduc direct n camera de ionizare (introducere direct). Volatilizarea lor se realizeaz n urma unei nclziri controlate. Substanele cu volatilitate extrem de sczut (cum ar fi aminoacizii, zaharurile etc) pot fi analizate dup derivatizare (transformare chimic n derivai mai puin polari). Tehnicile moderne de ionizare au permis i nregistrarea spectrelor unor compui tradiional nevolatili: polimeri, peptide i proteine etc;

cantitatea de prob. Dei, n principiu, aceasta depinde de modul de introducere a probei, de tipul de aparat, de timpul necesar nregistrrii spectrului etc., cantitatea necesar nu depete 1 mg, fiind mult mai mic dect cantitile necesitate de celelalte tehnici spectrale. Aparatele moderne au permis nregistrarea de spectre de mas prin utilizarea unor cantiti de substan de ordinul a 10-12 g. Utilizarea unor cantiti extrem de mici de subsatn este extrem de avantajoas, printre altele, i datorit faptului c proba este nerecuperabil (spectrul de mas este ultimul tip de nregistrare spectral atunci cnd se dispune de cantiti limitate de substan).

2.2. Surse de ioni i tehnici de ionizareSursa de ioni (denumit frecvent i camer de ionizare) are rolul de a realiza ionizarea substanelor ce urmeaz a fi analizate i reprezint una dintre cele mai importante componente a spectrometrului de mas.

Principalele tipuri de surse de ioni sunt clasificate, funcie de modul de realizare a ionizrii, dup cum urmeaz:

surse de ionizare prin bombardament electronic (impact electronic, electronic impact, EI);

surse de ionizare prin coliziunea probei cu ioni furnizai de surs (ionizare chimic, chemical ionization, CI);

surse de ionizare prin bombardament cu un fascicul de ioni sau molecule neutre (Liquid Secondary Ion Mass Spectrometry, LSIMS i Fast Atom Bombardment, FAB);

surse de ionizare cu ajutorul laserului (Laser Ionization Mass Analysis, LIMA i Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, MALDI); ionizare prin dispersarea unor soluii sub form de picturi fine (termospray, TSP i electrospray, ESI);2.3. Analizoare

Ionii produi de ctre sursa de ioni sunt dirijai ctre analizor, care, pentru a permite identificarea lor, are rolul s-i separe funcie de raportul mas/sarcin. Tipul de analizor utilizat depinde, n multe cazuri, de sursa de ioni folosit.

n prezent, au devenit din ce n ce mai rspndite aparatele care utilizeaz mai multe tipuri de analizoare. Aceste aparate permit, de exemplu, selectarea i nregistrarea spectrului de mas a unui singur ion, izolat dintre cei rezultai la fragmentarea unei substane.

Principalele caliti ale unui analizor sunt legate de:

limita de detecie - reprezint valoarea limit msurabil a raportului m/e;

transmisia - este dat de raportul ntre numrul de ioni ce ajung la detector i cel produs de ctre surs;

rezoluia - reprezint capacitatea detectorului de a distinge ntre doi ioni de mase vecine. Rezoluia unui spectrometru de mas este una dintre cele mai importante caracteristici. Astfel, pentru stabilirea formulei moleculare posibile cu ajutorul intensitii picurilor izotopice este necesar ca picurile adiacente s fie net separate. Arbitrar, se consider c rezoluia este corespunztoare dac "valea" dintre dou picuri adiacente nu reprezint mai mult de 10 % din intensitatea picului mai proeminent. Pentru a determina rezoluia unui instrument, se aleg dou picuri adiacente de intensitate aproximativ egal, ntre care exist o vale ce nu depete 10 % din intensitatea picului mai proeminent (figura 2.16). Rezoluia (R) este definit de relaia:

unde Mn i Mn sunt numerele de mas ale celor dou picuri i Mn = Mm+1

Funcie de puterea de rezoluie exist dou tipuri de spectrometre de mas:

a. spectrometre de rezoluie joas - pot fi definite ca aparate capabile s detecteze ioni ale cror mase difer cu cel puin o unitate de mas (aparate cu rezoluie unitar - unit resolution), valoarea maxim a raportului m/e ce poate fi msurat fiind de circa 2000. Un asemenea aparat este capabil, de exemplu, s separe un ion de mas 2.000 de unul cu mas 1999: [R = 2.000/(2.000-1.999) = 2000];

Figura 2.16.

Determinarea rezoluiei unui spectrometru de mas.

2. spectrometre de nalt rezoluie - sunt aparate capabile s separe doi ioni a cror mas difer cel puin prin 0,05 u.a.m. Un asemenea aparat este, de exemplu, capabil s separe un ion de mas 500 de unul cu masa 499,5 [R = 500/(500-499,5) = 10.000].2.4. Detectoare

Dup traversarea analizorului de mas, fasciculul de ioni trebuie detectat i transformat ntr-un semnal utilizabil. n acest scop exist diferite tipuri de detectoare, capabile s transforme un curent ionic slab ((10-9 A) ntr-un curent electric. Acesta trebuie apoi amplificat i nregistrat.

Primele spectrometre de mas au utilizat ca detectoare plci fotografice i cilindri Faraday ce au permis msurarea direct a sarcinilor sosite la detector. n prezent se utilizeaz detectoarele multiplicatoare de electroni sau de fotoni i detectoarele cu microcanale ce permit creterea intensitii semnalului detectat. Aceste ultime detectoare prezint o sensibilitate extrem de ridicat (pot detecta chiar i prezena unui singur ion sosit la detector); utilizarea lor este limitat ns numai la analizele calitative deorece curentul format n urma emisiei de electroni secundari nu este strict proporional cu numrul de ioni sosit la detector.

a. plci fotografice. Plcile fotografice au fost utilizate de ctre primele spectrometre de mas i se pretau i pentru msurtori de nalt rezoluie. Plcile sunt plasate dup analizor, iar spectrele apar sub form de linii ce prezint grade de negru diferite, ce se coreleaz cu intensitatea ionilor respectivi.

b. cilindri Faraday. Acest tip de detector este format dintr-un cilindru alungit n care ptrund ionii. Acetia se ciocnesc de perei i se descarc. Curentul este apoi amplificat i msurat de ctre un electrometru. Diferite dispozitive previn sau suprim emisiile de electroni secundari.

c. detectoare multiplicatoare de electroni. Detectoarele multiplicatoare de electroni utilizate n prezent sunt tuburi de sticl dopat cu plumb, avnd form de corn, i care prezint intense emisii secundare de electroni i o rezisten electric uniform (figura 2.26.). ntre cele dou extremiti ale tubului este aplicat o tensiune. Fiecare particul care lovete suprafaa intern a detectorului provoac o emisie secundar de electoni, ce sunt accelerai de ctre cmpul interior; electronii ajung s loveasc din nou peretele interior, provocnd o nou emisie, mai intens. Procesul se repet de cteva ori, n final rezultnd un semnal amplificat ce este detectat de ctre o plac colectoare aflat la ieirea din tub. Detectorul este plasat ntr-un dispozitiv ce mai conine dou dinode de conversie, una pentru ioni pozitivi, aflat la un

Figura 2.26.

Detector de ioni (pozitivi sau negativi) cu dinode de conversie i multiplicator de electroni

potenial negativ, iar cealalt pentru ioni negativi, aflat la un potenial pozitiv. Un ion ce ajunge la dinoda de conversie produce o emisie de electroni, ce sunt apoi amplificai de ctre multiplicatorul de electroni. n ansamblu, un amplificator de electroni transform un fascicul ionic ntr-un fascicul electronic amplificat, printr-un efect tip cascad, cu un factor de conversie cuprins ntre 105 i 107. Factorul de conversie dintre curentul ionic i curentul electronic depinde de natura (mas, sarcin i structur) i vitezele ionilor detectai. Din acest motiv, acest tip de detectori este mai puin precis dect cilindrii Faraday; sensibilitatea lor superioar permite ns realizarea unor baleiaje rapide.

d. detectoare cu microcanale (array detectors). Detectorul cu microcanale este format dintr-o plac strbtut de canale cilindrice paralele (figura 2.27).

ab

Figura 2.27Detector cu microcanale: a. seciune transversal; b. multiplicarea electronilor ntr-un canal

Fiecare canal poate avea un diametru cuprins ntre 4 i 25 (m, distanele dintre axele canalelor fiind ntre 6 i 32 (m. Faa de intrare a ionilor este meninut la o tensiune negativ de circa 1 kV n raport cu cea de ieire. Multiplicarea electronilor se realizeaz prin acoperirea suprafeei fiecrui canal cu un material semiconductor ce emite electroni secundari. Evitarea accelerrii ionilor pozitivi spre faa de intrare a plcii se realizeaz prin practicarea de canale curbe n plac sau prin asocierea mai multor plci, astfel nct canalele asociate s formeze trasee n form de V sau Z. Efectele de avalan dintr-un canal pot s amplifice numrul de electroni de pn la 108 ori. La ieirea din fiecare canal, un anod metalic primete fluxul de electroni secundari i semnal este dirijat spre un electrometru.

Geometria plcii este analog celei a unei plci fotografice: ioni cu diferite valori m/e sosesc n zone diferite ale plcii i pot fi detectai simultan n cursul baleiajului cmpului magnetic al analizorului.

e. detectoare multiplicatoare de fotoni. Acest tip de detector este format din dou dinode de conversie, un ecran fosforescent i un fotomultiplicator (figura 2. 28).

Figura 2.28.Multiplicator de fotoni

Dispozitivul permite detectarea ionilor pozitivi sau negativi. n cazul detectrii ionilor pozitivi, ionii sunt accelerai spre dinoda aflat la un potenial negativ, n timp ce, n cazul

decelrii ionilor negativi, ionii sunt accelerai spre dinoda pozitiv. Electronii secundari emii de aceste dinode sunt apoi accelerai spre ecranul fosforescent unde sunt convertii n fotoni. Fotonii rezultai sunt detectai de fotomultiplicator. Valoarea factorului de amplificare este de ordinul 104-105.2.4. Sisteme de nregistrare

Sistemul de nregistrare a unui spectrometru de mas trebuie s ndeplineasc dou cerine fundamentale:

a. rapiditate. Rspunsul nregistratorului fa de semnalele primite de la sistemul de amplificare trebuie s fie extrem de rapid, astfel nct s poat fi posibil scanarea ctorva sute de picuri pe secund (o substan cu masa molecular 300 poate prezenta ntre 150 i 300 de picuri);

b. sensibilitate. Aparatul trebuie s fie capabil s nregistreze intensiti ale unor picuri care difer ntre ele cu un factor mai mare de 103. Aceast problem a fost rezolvat prin utilizarea unei serii de 3-5 galvanometre cu oglind cu sensibiliti diferite (de obicei sensibilitile galvanometrelor sunt n raport 1:3:10:30:100).

2.5. Prelucrarea datelor

Semanlul analogic furnizat de ctre detector este transformat n semnal digital cu ajutorul unui ADC (analog-to-digital convertor) iar datele sunt stocate n memoria unui computer.

Computerul asociat unui spectrometru de mas nregistreaz datele provenind de la aparat i le transform, dup caz, n valori de mas, intensiti ale picurilor, curent ionic total, potenial de accelerare etc. Datele spectrale sunt prezentate n diverse forme: list a fragmentelor ionice, spectru de mas normalizat etc. Computerul asociat spectrometrului de mas poate facilita, de asemenea, interpretarea spectrului ajutnd la calculul compoziiei posibile a unor ioni de mas dat, calculnd i comparnd abundenele izotopice pentru o formul dat cu datele experimentale sau comparnd spectrele obinute cu cele existente n biblioteca de spectre (exist numeroase biblioteci de spectre de mas, coninnd spectrele a peste 100.000 de compui).

Spectrul de mas3.1. Introducere

Informaiile eseniale furnizate de ctre spectrometrul de mas se refer la masele i abundenele relative ale ionilor rezultai din substana investigat. De obicei, aceste informaii sunt sumarizate n dou moduri:

1. forma grafic. Semnalele ionilor sunt prezentate sub form de linii verticale aflate la valorile m/e corespunztoare i a cror nlime este proporional cu intensitile (abundenele) ionilor. Din motive practice, aceste abundene sunt recalculate funcie de semnalul cel mai intens (numit i pic de baz, base peak), cruia i se atribuie valoarea de 100 %. Operaia se numete normalizarea spectrului; abundenele nregistrate ale celorlali ioni se amplific cu factorul:

Dei reprezentarea grafic este deosebit de util pentru realizarea de comparaii rapide cu alte spectre, ea prezint dezavantajul imposibilitii de a prezenta, la aceeai scar, abundenele exacte ale ionilor cu intensitate mic (i n special cele ale picurilor izotopice);

2. forma tabelar. Prezint sub form de tabel lista ionilor i a abundenelor lor relative fa de ionul de baz, considerat ca avnd abundena de 100 %. Din considerente practice, i aceast list poate s exclud ionii cu abundene extrem de sczute. n cazul nregistrrii spectrului pe un aparat cu rezoluie joas este util s se normalizeze abundenele picurilor izotopice din zona ionului molecular funcie de acesta din urm.

n figura 5.1. este prezentat, n cele dou variante, spectrul de mas al etil-dimetil-aminei.

Utilizarea computerelor pentru stocarea i prelucrarea datelor furnizate de ctre spectrometrul de mas permite actualmente selectarea i analiza complex a informaiilor, funcie de scopurile urmrite.

Ca i n cazul celorlalte tipuri de investigaii spectrale, la analiza i, mai ales, la compararea spectrelor de mas este necesar precizarea condiiilor de nregistrare a spectrului.

a

m/e%m/e%m/e%m/e%

151,3391,2451,87217,0

2710,0402,1567,37323,0

2811,0414,5575,0741,1

298,14228,058100

3013,0437,2593,9MM+1

310,274425,0711,01004,78

Figura 5.1.

Spectrul de mas al etildimetilaminei: a. reprezentare grafic; b. reprezentare tabelar (n colul din dreapta jos este prezentat normalizarea picului izotopic al ionului molecular)

3.2. Clasificarea spectrometrelor de mas

Spectrometrele de mas utilizate pentru determinarea structurii compuilor organici sunt clasificate funcie de metoda de separare a ionilor utilizat de ctre analizorul de mas.

Analizoarele de mas realizeaz separarea particulelor cu sarcin (ale ionilor) pe baza raportului mas/sarcin sau a unor proprieti ce depind de acest raport.

n prezent sunt utilizate patru tipuri principale de analizoare de mas bazate pe:

1. cmpuri magnetice i electrice; 2. timp de zbor;3. filtre quadripolare;rezonan ciclotronic.

3.3. Informaii analitice

Deducerea structurii compuilor investigai de ctre spectrometria de mas se realizeaz prin parcurgerea mai multor etape.

ntr-o prim etap, se ncearc identificarea, manual sau computerizat, a spectrului nregistrat printre spectrele aflate n diverse colecii. Trebuie ns s se in cont de faptul c, de multe ori, izomerii ce fac parte din aceeai clas de compui prezint spectre similare; de asemenea, spectre asemntoare pot s aparin unor substane foarte diferite. Dei poate fi extrem de util, simpla comparare nu poate fi o metod infailibil de atribuire structural.

n prezent exist trei mari colecii de spectre de mas:

1. colecia NBS/EPA/NIH (Mass spectral date base, Heller, S.R. and Milne, G.W.A., National Bureau of Standards, Washinton, 1978, 1983). Colecia conine peste 45.000 de spectre, prezentate n form grafic i clasificate n funcie de masa molecular. ncepnd cu anul 1988, colecia exist i pe suport magnetic;

2. colecia eight peak index, publicat de ctre Mass Spectrometry Data Center de la Royal Society, Cambridge (1991) cuprinde aproximativ 81.000 spectre de mas, prezentate sub forma unor liste ce cuprind, fiecare, cte opt picuri principale;

3. colecia publicat de ctre editura John Wiley (The Wiley/NBS Registry of mass spectra data, Palissade Corporation, N-Y, 1989) conine spectrele a aproximativ 112.000 de compui (colecia este prezentat i pe suport magnetic).

Alturi de aceste colecii de cuprindere general, exist colecii specializate pe domenii relativ nguste: poluani, droguri, metabolii, produse farmaceutice etc.

n cazul n care structura substanei investigate nu poate fi dedus cu ajutorul coleciilor, se face apel la informaiile oferite de ctre spectrul nregistrat.

Principalele tipuri de informaii analitice furnizate de ctre spectrul de mas sunt:

1. masa molecular;

2. compoziia elemental;

3. formula structural.

Dac primele dou informaii pot fi obinute cu certitudine n multe cazuri, stabilirea formulei structurale pornind numai de la procesele de fragmentare este mult mai dificil i nu ntotdeauna posibil. De cele mai multe ori se recurge i la ajutorul celorlalte tehnici spectrale uzuale: rezonana magnetic nuclear, spectrometria n IR i UV-VIS.

3.4. Determinarea formulei moleculare cu aparate de nalt rezoluie

Spectrometrele de mas de nalt rezoluie permit, n principiu, determinarea direct a compoziiei elementale. Din pcate, rezoluia necesar crete rapid cu creterea masei moleculare. Datorit creterii numrului de atomi, crete numrul de combinaii posibile iar diferenele ntre masele moleculare ale diverselor combinaii de atomi scad. De exemplu, pentru a face distincie ntre C24H19N i C21H23NS, ale cror mase sunt 321,1517 i, respectiv, 321,1551, este necesar o rezoluie de 321/(321,1551-321,1517) = 94.400. Exist puine aparate comerciale capabile s ating o asemenea rezoluie.

La utilizarea aparatelor cu rezoluie ridicat, compoziia elemental a unei molecule poate fi stabilit cu certitudine dac masa molecular se situeaz n jurul valorii de 100 u.a.m. n acelai timp, utilzarea unor astfel de aparate permite i stabilirea compoziiei elementale a fragmentelor rezultate, ceea ce ajut considerabil la elucidarea structurii i la nelegerea mecanismelor de fragmentare.

De reinut c n spectrul de mas al unei molecule organice fiecare pic corespunde unui ion cu o anumit compoziie izotopic i c valoarea m/e se calculeaz cu masele izotopice din tabelul 5.1. i nu cu masele atomice relative ale elementelor.3.5. Determinarea formulei moleculare cu aparate de rezoluie joas.

Abundene izotopice

Cea mai mare parte a elementelor apar n natur sub forma unor amestecuri de izotopi. De exemplu, carbonul, elementul fundamental al chimiei organice, este un amestec format din doi izotopi: 12C (98,89 %) i 13C (1,10 %). n tabelul 5.1. sunt prezentate abundenele izotopilor celor mai importante elemente ntlnite n chimia organic iar n Anexa nr. 2 abundenele izotopice ale tuturor elementelor.

Faptul c unele elemente prezint mai muli izotopi are drept rezultat existena unor ioni cu compoziii elementale identice dar cu mase diferite. n consecin, ionii respectivi vor apare la valori m/e diferite. n majoritatea cazurilor, unul dintre izotopi se afl ntr-o proporie dominant. Acest fapt are drept consecin apariia unor picuri suplimentare, n general puin intense i aflate la valori m/e imediat superioare. Aceste picuri se numesc picuri izotopice. Intensitatea lor, raportat la intensitatea (abundena) picului ionului format de izotopii majoritari, este extrem de caracteristic i servete, n condiiile utilizrii spectrometrelor de mas de joas rezoluie, la stabilirea formulei moleculare.

De exemplu, la nregistrarea spectrului de mas al etil-metil-cetonei (C4H8O) pe un aparat cu rezoluie joas, picul ionului molecular, aflat la m/e 72, este nsoit de dou picuri, aflate la m/e 73 i m/e 74, a cror intensitate relativ fa de intensitatea ionului molecular este de 4,7 % i, respectiv 0,3 %. Apariia celor dou picuri suplimentare este determinat, evident, de prezena izotopilor n molecul. Abundenele relative ale celor doi izotopi ai carbonului se afl n raport de 98,89/1,11. Rezult c, n medie, unul dintr-o sut de atomi de carbon este un 13C. Pentru compusul C4H8O, una din douzeci i cinci de molecule conine trei atomi 12C i unul 13C. Aceast molecul are masa unitar 73 i va forma primul pic izotopic. Prezena unui al doilea 13C (sau a unui 2H, sau numai a unui 18O) va conduce la formarea celui de al doilea pic izotopic. Abundenele acestor picuri sunt, evident, proporionale cu abundenele izotopilor respectivi.

Tabelul 3.1. Abundenele izotopilor celor importante elemente ntlnite n chimia organic.

IzotopAbunden natural (%)Masa izotopic (u.a.m.)

1H99,9851,007825

2H0,0152,014102

12C98,9012,000000

13C1,1013,003354

14N99,6414,003074

15N0,3615,000108

16O99,7615,994915

17O0,0416,999133

18O0,2017,999160

19F100,0018.998405

23Na100,0022,989767

28Si92,2027,976927

29Si4,7028,976491

30Si3,1029,973761

31P100,0030,973763

32S95,0231,972074

33S0,7532,971461

34S4,2133,967865

36S0,0235,967080

35Cl75,8034,968855

37Cl24,2036,965896

79Br50,5078,918348

81Br49,5080,916334

127I100,00126,904352

Valoarea acestei intensiti poate fi calculat teoretic cu relaia (5.1):

(5.1)

unde:

IM = intensitatea relativ procentual a picului molecular corespunztor moleculei care nu conine nici un izotop greu;

IM+1 = intensitatea relativ procentual a picului molecular pentru moleculele care conin unul din izotopii 2H, 13C, 15N, 17O;

w, x, y, z = numrul atomilor de C, H, N, respectiv O, prezeni n molecul;

c, h, n, o1, o2 = rspndirea procentual a 13C, 2H, 15N, 17O respectiv 18O.

Utiliznd aceast relaie, Beynon a calculat valorile IM+1, IM+2 precum i a raportului IM+1/IM+2 pentru mase moleculare de pn la 250 u.a.m., ce corespund unor formule brute de tipul CxHyNzOt i a ntocmit tabele ce sunt utilizate pentru stabilirea formulei moleculare a substanelor (Anexa nr. 1). O variant mai comod o reprezint utilizarea unui computer.

n tabelul 3.2 sunt prezentate abundenele relative calculate ale primului i celui de al doilea pic izotopic (raportate la abundena ionului molecular) pentru diverse combinaii de atomi de C, H, N i O avnd masa molecular de 72 u.a.m.

Tabelul 3.2. Abundenele relative ale primului i celui de al doilea pic izotopic, calculate pentru diverse combinaii de C, H, N i O corespunznd lui m/e 72.

M = 72M,

(%)M + 1,

(%)M + 2,

(%)

C4H8O1004,490,28

C2H4N2O1003,030,23

C3H4O21003,380,44

C3H6NO1003,760,25

C3H8N21004,130,07

C5H121005,590,13

Compararea datelor experimentale obinute la nregistrarea spectrului etil-metil-cetonei (M+1 = 4,7 % , M+2 = 0,3 %) cu cele din tabelul 5.2. permite selectarea formulei moleculare.

Utilizarea abundenelor picurilor izotopice M+1 i M+2 trebuie fcut cu mult circumspecie deoarece, n unele situaii, abundenele acestor picuri sunt afectate de prezena ionilor (M+H)+ rezultai prin protonarea ionului molecular.

Izotopii mai grei ai atomilor de clor, brom, sulf apar n proporie mult mai mare comparativ cu celelalte elemente organogene. n consecin, picurile izotopice ale ionilor moleculari sunt puternic afectate i devin extrem de caracteristice.

De exemplu, n cazul unei molecule care conine un atom de brom, picul (M+2) trebuie s reprezinte circa 98 % din picul molecular deoarece abundenele relative ale celor doi izotopi ai bromului se afl n raport de 79Br:81Br = 50,52:49,48. n prezena a doi atomi de brom, n spectru vor apare picuri la (M), (M+2) i (M+4), avnd intensitile relative 100:195:96 datorit existenei moleculelor cu compoziia izotopic 79Br2, 79Br81Br i 81Br81Br.

Sulful prezint trei izotopi frecvent ntlnii, 32S, 33S i 34S, avnd abundenele 95,02 : 0,75 : 4,23 % (intensiti relative: 100 : 0,8 : 4,4). Astfel, la un compus cu un atom de sulf, M+2 este mai mare cu circa 4,5 % dect ar fi de ateptat dac sulful nu ar fi prezent. 35S contribuie i el la nlimea picului M+1, fiind necesar s se scad 0,8 % din valoarea lui M+1 pentru a se obine contribuia real a izotopilor mai grei ai carbonului, hidrogenului, oxigenului i azotului.

Din acest motiv, aspectul spectrului n zona ionului molecular al unor astfel de molecule poate fi utilizat pentru identificarea acestor heteroelemente.

Urmtorul exemplu este ilustrativ: un compus prezint urmtoarele intensiti relative ale picurilor din zona ionului molecular: m/e 152 (100 %, M), 153 (9,4 %, M+1) i 154 (4,9 %, M+2); se cere formula molecular.

Etapele determinrii formulei sunt urmtoarele:

a. se compar valorile experimentale ale abundenelor relative ale picurilor (M+1) i (M+2) cu cele tabelate (v. Anexa nr. 1). ntruct pentru compuii cu formula general CxHyNzOt intensitatea picului M+2 poate fi maximum 0,9 % pentru o mas molecular de 152, se poate presupune i prezena unui unui alt element (n cazul de fa un atom de sulf) (ca urmare a prezenei izotopului 34S, picul (M+2) este cu circa 4,5 % mai intens la compuii ce conin un atom de sulf);

b. se recalculeaz masa celorlalte elemente din molecul: 152-32=120 u.a.m.;

c. se recalculeaz intensitatea relativ a abundenelor picurilor M+1 i M+2 innd cont de contribuiile izotopilor heteroelementelor. Izotopul 33S contribuie cu circa 0,8 % la valoarea abundenei relative a picului (M+1); valoarea recalculat va fi: 9,4-0,8=8,6 %;

d. innd cont de masa molecular i de contribuia picurilor izotopice, cu ajutorul tabelelor, se determin formula molecular de tip CxHyNzOt. Din Anexa 1, pentru o mas de 120 u.a.m. i un pic (M+1) de 8,6 % rezult un fragment C7H8N2;

e. la formula molecular rezultat se adaug heteroatomii identificai. Formula molecular final a compusului investigat este : C7H8N2S.

APLICATIILE SPECTROMETRIEI DE MASA

Spectrometrie de mas are att utilizri calitative, cit i cantitative. Acestea includ:

identificarea compuilor necunoscui, determinarea compoziiei izotopice a elementelor ntr-o molecul,

determinarea structurii unui compus prin observarea fragmentarea acesteia. cuantificarea cantitatatii de compus ntr-o proba,

studierea fundamentala a chimiei ionilor n faz gazoas Ca o tehnic analitic, ea posed avantaje distincte, cum ar fi: 1. Sensibilitatea crescut 2. specificitatea 3. Informaii despre greutate molecular. 4. Informaii despre abundena izotopic a elementelor. 5. Datele chimice temporal rezolvate.Spectrometrie de mas joac un rol deosebit n descoperirea i dezvoltarea de noi medicamente, in bio- si nanotehnologie.BIBLIOGRAFIE1. Bacaloglu R., Csunderlik C., Cotarc L. i Glatt H.H., Structura i proprietile compuilor organici, Editura Tehnic, Bucureti, 1985

2. Balaban A.T., Banciu M. i Pogany I., Aplicaii ale metodelor fizice n chimia organic, Editura tiinific i Enciclopedic, Bucureti, 1983

3. Cornu A. i colab., Prcis de spectromtrie de mass analytique, Presses universitaires de Grenoble, Grenoble, 1975

4. Cort L.A., An Introduction to Spectroscopic Methods for the Identification of Organic Compounds, vol II. Editat de Scheinmann F., Pergamon Press, Oxford, 1973

5. Hesse M., Meier H. i Zeeh B., Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie, Georg Thieme Verlag, Stuttgart, New York, 1987

6. Hoffmann E., Charette J., i Stroobant V., Spectromtrie de masse, Masson, Paris, 1994

7. Kemp W., Organic Spectroscopy, Ediia a 3-a, W.H. Freeman and Company, New York, 1991

8. Lambert J.B., Shurvell H.F., Lightner D. i Cooks G., Introduction to Organic Spectroscopy. Macmillan Publishing Company, New York, 1987

9. Mager S., Analiz structural organic, Editura tiinific i Enciclopedic, Bucureti, 1979

10. McLafferty F.W., Spectrographie de masse, Ediscience, Paris 1969

11. Neniescu C.D., Chimie organic. Editura Didactic i Pedagogic, Bucureti 1980

12. Oprean I., Spectrometria de mas a compuilor organic,. Editura Dacia, Cluj, 1972

13. Pogany I. i Banciu M., Metode fizice n chimia organic, Editura tiinific, Bucureti, 1972

14. Pretsch E., Simon W., Seibl J. i Clerc T., Tables Data for Structure Determination of Organic Compounds, Ediia a 2-a, Springer Verlag, Berlin, 1989

15. Purdelea D i colab., Nomenclatura Chimiei Organice, Editura Academiei RSR, Bucureti 1986

16. Silverstein R.M., Bassler G.C. i. Morril T.C. Spectrometric Identification of Organic compounds,. Ediia a 5-a, John Wiley and Sons, New York, 1991

Scutaru D., Metode spectrale utilizate n analiza structural organic, Universitatea Tehnic "Gh. Asachi" Iai, 1994

_942990248.unknown

_942992864.unknown

_942990246.unknown

_762851462.unknown

_759312262.unknown

_759240674.unknown