Espectrometria de Massas - MS.pdf massas

Espectrometria de massas

1. Espectrometria de Massas
Prof. Welton Rosa
Campos, RJ - 2025.1

2. 2
REFERÊNCIAS:
•http://www.cem.msu.edu/~reusch/VirtualText/Spectrpy/MassSpec/m
asspec1.htm#ms1
•SILVERSTEIN, R. M., WEBSTER, F. X. Identificação
Espectrométrica de Compostos orgânicos. 6e. LTC, Rio de Janeiro,
2000
•SOLOMONS, G., FRYHLE, C. Química Orgânica. 7e. v.1. LTC,
Rio de Janeiro, 2001
•PAVIA, Donald L.; LAMPMAN, Gary M.; KRIZ, George S.;
VYVYAN, James R. Introdução à espectroscopia. Tradução da 5ª
ed. norte-americana. São Paulo: Cengage Learning, 2015.

3. 3
Um pouco de história
•JJ Thomson construiu o protótipo de MS para medir o
m/z de elétrons, e ganhou o prémio Nobel em 1906.
•O conceito de MS foi colocado em prática por Francis
Aston, um físico que trabalhava em Cambridge na
Inglaterra em 1919.
•Foi então desenvolvido o MS para medir a massa de
elementos e Aston ganhou o Nobel em 1922.
•Na década de 20 – A ionização por impacto de eletrons
e um setor analisador de massa magnético foram
introduzidos.

4. 4
•1948-52 – Foi introduzido o analisador de
massa “Time of Flight” (TOF)
•1955 – W. Paul introduziu filtros de íon
Quadrupolo, e também inventou a armadilha de
íons [captura de íons com quadrupolo em 1983
(ganhou o prémio Nobel em 1989)]
•1968 – Apareceu o espectrômetro de Massa
Tandem
•Os espectrômetros de massa possuem agora
uma das mais potentes ferramentas analíticas
na química.

5. 5
ESPECTROMETRIA DE MASSAS
•Um espectrômetro produz um espectro baseado na estrutura da
molécula em estudo. O espectro não está relacionado à radiação
eletromagnética, mas à distribuição das massas dos íons
correspondentes à razão massa/carga (m/z) de uma molécula, aos
fragmentos iônicos derivados da molécula, ou a ambos.
•Informações obtidas: - Massa molecular
- Padrões de fragmentação  estrutura
quím.
•Acoplado ao aparelho de cromatografia gasosa: CG/EM
•Acoplado ao aparelho de cromatografia líquida: CL/EM

Princípio do Método
• Gerado um íon (mais comum positivo): é submetido a
aceleração e deflexão em campo magnético

6. 6
Os princípios da espectrometria de massa
Ionizador
Amostra
+
_
Analisador de Massa
Detector

7. 7

8. 8

9. 9

10. 10

11. 11

12. 12

13. 13

14. 14

15. 15

16. 16
Menor massa Maior massa

17. 17
Instrumentação
m
z
=
B
2
r
2
2V
m/z = relação massa-carga
B = Campo magnético
r = raio do caminho
V = diferença de potencial de aceleração

18. 18
Um típico espectrômetro de
massa

19. 19
Inlet
Ion
Source
Mass
Filter
Detector
Data
System
High Vacuum System
Turbo pumps
Diffusion pumps
Rough pumps
Rotary pumps
Sample Plate
Target
HPLC
GC
Solids probe
MALDI
ESI
IonSpray
FAB
LSIMS
EI/CI
TOF
Quadrupole
Ion Trap
Mag. Sector
FTMS
Microch plate
Electron Mult.
Hybrid Detec.
PC’s
UNIX
Mac
Esquema do Espectrômetro de Massas

20. 20
Diferentes métodos de ionização
•Impacto de elétrons (Electron Impact (EI)-”Hard method”)
–Pequenas moléculas, 1-1000 Daltons, estrutura
•Fast Atom Bombardment (FAB - Hard)
–peptideos, açúcares, acima de 6000 Daltons
•Ionização por eletrospray (Electrospray Ionization (ESI-Soft)
–peptideos, proteinas, acima de 200,000 Daltons
•Matrix Assisted Laser Desorption (MALDI-Soft)
–peptideos, proteinas, DNA, acima de 500 kD

21. 21
Fonte de ionização por impacto de elétrons

22. 22
Ionização por impacto de elétrons
•A amostra é introduzida no aparelho através do
aquecimento até a sua evaporação.
•A fase gasosa da amostra é bombardeada por
elétrons vindos de um filamento de rhenium ou
tungstênio (energia = 70 eV)
•A molécula dividida em fragmentos (70 eV >> 5 eV
ligações)
•Fragmentos são enviados para o tubo analisador

23. 23
Cátion-radical
Radical
Cátion
Geração do cátion-radical e Fragmentação
H
3
COH 2e-+
.
..
+
H
3COH e-
.
..
.
H
3COH
.
+
..
+
H
2COH..
+
+H.
+
.
H
2COH.
HCO..
+
H
2+
H
3
C
+
H
3COH
.
+
..
OH..
.
.
.+
(m/z 32)
(m/z 32)
(m/z 15)
(m/z 31)
(m/z 29)
H
3COH
.
+
..
H
3COH
+.
s鉶 nota珲es equivalentes
(m/z 32)
(m/z 31)

24. 24
Mass
Filter
Esquema do espectrômetro de
massa
Inlet
Ion
Source
Detector
Data
System
High Vacuum System
Turbo pumps
Diffusion pumps
Rough pumps
Rotary pumps
Sample Plate
Target
HPLC
GC
Solids probe
MALDI
ESI
IonSpray
FAB
LSIMS
EI/CI
TOF
Quadrupole
Ion Trap
Mag. Sector
FTMS
Microch plate
Electron Mult.
Hybrid Detec.
PC’s
UNIX
Mac

25. 25
Analisadores
•Magnetic Sector Analyzer (MSA)
–Alta resolução, massas exatas
•Quadrupole Analyzer (Q or Q*)
–baixa resolução, rápido, barato
•Time-of-Flight Analyzer (TOF)
–Não possui limite m/z
•Ion Trap Mass Analyzer (QSTAR)
–Boa resolução, analisador vários em um
•Ion Cyclotron Resonance (FT-ICR)
–A maior resolução, massa exata, técnica cara

26. 26
Analisador por Setor Magnético

27. 27
Equação do espectrômetro de
massa (Setor Magnético)
m
z
B
2
.r
2
2V
=
m = massa do ionB = campo magnético
z = carga do ionr = raio do semicírculo
V = voltagem

28. 28
Analisador Quadrupolo

29. 29
Analisador de Massas por Quadrupolo
•O filtro de massa quadrupolo consiste em 4
varetas paralelas de metal com diferentes
cargas
•2 varetas opostas possuem um potencial
aplicado de (U+Vcos(wt)) e as outras duas de
-(U+Vcos(wt))
•As voltagens aplicadas afetam a trajetória
dos íons

•Alguns íons passam e outros colidem com o
quadrupolo

30. 30
Q-TOF
TOF
NANOSPRAY
TIP
ION
SOURCE
HEXAPOLE
COLLISION
CELL
HEXAPOLE
HEXAPOLE
QUADRUPOLO
MCP
DETECTOR
REFLECTRON
SKIMMER
PUSHER

31. 31
Equação do espectrômetro de
massa (TOF)
m
z
2Vt
2
=
m = massa do ionL = comprimento do tubo
z = carga do iont = tempo
V = voltagem
L
2

32. 32
Mass
Filter
Esquema de um Espectrômetro de
Massas
Inlet
Ion
Source
Detector
Data
System
High Vacuum System
Turbo pumps
Diffusion pumps
Rough pumps
Rotary pumps
Sample Plate
Target
HPLC
GC
Solids probe
MALDI
ESI
IonSpray
FAB
LSIMS
EI/CI
TOF
Quadrupole
Ion Trap
Mag. Sector
FTMS
Microch plate
Electron Mult.
Hybrid Detec.
PC’s
UNIX
Mac

33. 33
Detectores de EM
•No ínício eram usados filmes fotográficos
como detectores;
•Os detectores atuais (canal de íons ou
eletromultiplicadores) produzem sinais
eletrônicos através de uma 2
o
emissão
eletrônica quando atingido por um íon;
•Há mecanismos de para integração destes
sinais com variação de voltagens que
permitem ao instrumento reportar como m/z
quando atingir o detector;
•Necessitam constante calibração.

34. 34
Detectores de EM
Eletronmultiplicadores (Diodo)

35. 35
Técnicas Combinadas de EM
•CG-EM(CG-MS)Cromatografia Gasosa acoplada
à EM ---- separação de compostos voláteis
na coluna e detecção por EM
•CL-EM (LC-MS)Cromatografia Líquida acoplada
à EM
– separação de compostos voláteis na coluna-
HPLC e detecção por EM
•EM-EM (MS-MS) – Espectrometria de Massas
Tandem
– separação fragmentos de compostos por um
analisador e reanálise por outro

36. 36

37. 37

38. 38

39. 39

40. 40

41. 41
EM-EM & Proteoma

42. 42
Um típico espectro de massa
aspirina
Intensidade relativa
Pico íon-
molecular
(M
+
)
M+1
Pico base (100%)

43. 43
O espectro de massas
•Obtido rotineiramente por impacto de elétrons (IE)
•Feixe de elétrons de 70eV (~ 6,7 x 10
3
KJ.mol
-1
)

•As massas dos íons fornecidas pelo espectro de
massa são as que calcularíamos para o íon,
atribuindo aos átomos constituintes massas
arredondadas ao número inteiro mais próximo
•É um gráfico que contém as massas dos fragmentos
positivos (inclusive o íon molecular) nas suas
concentrações relativa
•Pico do íon molecular (M
+
) corresponde ao íon com
massa unitária igual à massa do composto (intacto)

44. 44
Os espectros de massa são geralmente impressos como gráficos de
barras ou como tabelas, entretanto, o gráfico tem a vantagem de mostrar
a sequência de fragmentação.
Em qualquer uma das apresentações atribui-se arbitrariamente a
intensidade 100% ao pico mais intenso – pico base. No caso da N,N-
diethylmethylamine, o pico base que provém do íon molecular, mas em
muitos casos o pico base (o mais intenso) estará em um valor de m/z
diferente do valor correspondente ao íon molecular.
N,N-diethylmethylamine

45. 45
DETERMINAÇÃO DA FÓRMULA MOLECULAR
1.Usando o íon de massa molécula unitária e picos dos isótopos.
Abundância relativa de isótopos de elementos comuns
Fonte: Silverstein

46. 46

47. 47

48. DETERMINAÇÃO DA FÓRMULA MOLECULAR
Note que a maioria dos elementos comuns encontrados nos compostos orgânicos
tem isótopos mais pesados de ocorrência natural. Para três desses elementos – C, H e N
– o isótopo principal mais pesado está uma unidade de massa acima do isótopo mais
comum. A presença desses elementos em um composto leva a um pequeno pico
isotópico com massa uma unidade maior do que o íon molecular – em M. +1.
Para O, S, Cl e Br o isótopo principal mais pesado está a duas unidades de massa
acima do isótopo mais comum. A presença desses elementos em um composto leva a
um pico isotópico a M. + 2
+
+

49. 49
DETERMINAÇÃO DA FÓRMULA MOLECULAR
1.Usando o íon de massa molécula unitária e picos dos isótopos.
Exemplo: C
7H
7NO (m/z 121) [ (7x
12
C) + (7x
1
H)+(1x
14
N)+(1x
16
O)]
% (M+1) ≈ (1,1 x n° C) + (0,38 x n° N) + (0,016x n° H) + .......
% (M+2) ≈ (1,1 x n° C)
2
+ (0,20 x n° O)
200

50. a)M . é par ou ímpar? Regra do nitrogênio se o número de
N for par ou zero M . é par
b)A abundância relativa do pico M + 1 indica o número de átomos
de carbono. O número de átomos de C = abundância relativa
de (M . + 1)
c)A abundância relativa do pico M + 2 indica a presença (ou
ausência) de
S (4,45), Cl (33%) ou Br (98%)
a)A fórmula molecular pode agora ser estabelecida
determinando-se o número de átomos de hidrogênio e
adicionando-se número apropriado de átomos de oxigênio, se
necessário.
50
Guia para a determinação da fórmula molecular
+
+
+
+
1,1+

51. 51
Ex: M. = 72,0 (73% do pico base); M. + 1 = 3,3%; M. + 2 = 0,2%
Se M. = 100%, então: M. + 1 = 4,521% e M. + 2 = 0,274%
M. + 1 = 4,521  4,521 = 1,1 C C=4
M. + 2 = (1,1 x 4)
2
+ 0,2 O = 0,274 O ≈ 1
LOGO, a fórmula molecular é: C
4H
8O
++ +
+ +
+
+
200

52. 52

53. 53
DETERMINAÇÃO DA FÓRMULA MOLECULAR
2.Usando o íon molecular com alta resolução.
Pode-se obter uma fórmula molecular (ou de fragmento)
Possível, visto que massas atômicas não são números inteiros. (exemplo:
CO, N
2, CH
2N e C
2H
4)
12
C 12,0000
14
N
2 28,0062
12
C 12,0000
12
C
2 24,0000
16
O 15,9946
1
H
2 2,1056
1
H
4 4,0312
27,9949 28,0187 28,0312

54. 54
Resolução
•Resolução Unitária distingue massas inteiras. ex: 399
400 401
•Os picos adjacentes devem ser separados claramente
•Por convenção um vale entre dois picos adjacentes
NÃO deveria ter altura superior a 10% do pico mais intenso.
h
H
M
aM
b
h
H
x 100  10%
R =
M
a
M
a - M
b

55. 55
QTOF
783.455
784.465
785.475
783.6

56. 56
• Baixa resolução (até 2000 Da)
R = 2000 = 2000
2000-1999
R = 250,1933 ≈ 20000
250,1993 – 250,1807
• Alta resolução
Ex: C
16H
26O
2 e C
15H
24NO
2

57. 57
Reconhecimento do pico íon-molecular
•Quando ionização é por IE (impacto de elétrons) pico
fraco ou ausente
•Neste caso depende da estabilidade do íon:
Aromáticos > alquenos conjugados > Compostos cíclicos >
sulfetos orgânicos > alcanos normais de cadeia curta >
mercaptanas
•Não observado em: álcoois alifáticos, nitritos, nitratos,
nitrocompostos, nitrilas e compostos muito ramificados.

58. 58
Reconhecimento do pico íon molecular
- Ionização química (IC)
• Uso de gás (normalmente, metano – CH
4) a 1 torr
CH
4
.+
+ e
-
CH
4
.+
+ 2e
-
CH
4
.+
+ CH
4 CH
5
+
+ CH
3
-
CH
3
+
+ CH
4 C
2H
5
+
+ H
2
CH
4 + C
2H
5
+
C
3H
5
+
+ 2H
2
CH
5
+
ou C
2H
5
+
+ M [M+H]
+
+ CH
4 ou C
2H
4 (pico M+H)

59. 59
Éster de cadeia longa e seus espectros de massas obtidos por IE e IC
IE (impácto eletrônico)
IC (ionização
química)

60. 60
Uso da fórmula molecular. Índice
de deficiência de hidrogênios (IDH)
IDH = C – H – X + N + 1
•C ou Si (IV)
•H ou D (I)
•X = F, Cl, Br, I (I)
•N ou P (III)
222

61. 61
Fragmentação
•Na maioria dos casos o íon molecular é uma espécie de alta
energia, ela pode quebrar-se de várias maneiras e os
fragmentos que são produzidos podem sofrer fragmentação
posterior, e assim por diante.
•Atingir uma molécula orgânica com elétrons a 70 eV é como
disparar um canhão contra uma casa feita de palitos de fósforo.
Uso de excesso de energia absurdo!!
•No entanto, a seqüência de fragmentação se correlaciona com
as estruturas.
•Mecanismos reacionais radicalares (Mc Lafferty, Djerassi, ...)

62. 62
Fragmentação
•Tendência geral:
•Apresentar o íon molecular com carga deslocalizada
•Sistemas insaturados () e heteroátomo localização de carga
positiva.
•Tipos de quebras: homolítica ou heterolítica.
•H
3C-CH
2-O-R H
3C
.
+ H
3C=O-R
(perda de radical)
•CH
3-CH
2-CH
2-Br H
3C-CH
2-CH
2
+
+ Br
•H
3C-CH
2-CH
2
+
H
3C
+
+ H
2C=CH
2
(fragmento neutro)
+
+
+.
A
B
C
.
.
B e C são úteis para
estudo de fragmentação
. +
. . . .
+
. +
. .
. . . .. .
. .
.

63. 63
Tabela: Energias de dissociação homolítica de ligações simples
DH

64. 64
Fragmentação
Regras gerais de previsão dos picos mais
intensos (espectro obtido por IE)
•O pico do íon molecular(M
+
) menor com a ramificação
dentro de uma família de compostos;
•M
+
diminui com o aumento do peso molecular
•Quebras em átomo (ligação) ramificado: estabilidade dos
carbocátions: H
3C
+
< 1° < 2° < 3°

•Ligações duplas, ciclos (especialmente aromáticos) estabilizam o
íon molecular.

65. 65
Fragmentação
- tipos mais comuns -
a)Ligações duplas favorecem a quebra alílica
H
2C : . CH – CH
2-R H
2C– CH = CH
2 H
2C=CH-CH
2
+
CH
2
CH
2
H
C
H
C
H H
+
+
.
+.
-R
.
Retro-Diels-Alder
R
.+
+
-R
.
+

66. 66
Fragmentação
- tipos mais comuns -
•Aromáticos alquil-substituídos
CH
2
R
CH
2
H C
+
H
H
H
H
H
H
1,2
H
H
H
H
H
H
H+
CH
2
+
-R.
+
.
+
íon tropílioÍon tropílium

67. 67
Fragmentação
- tipos mais comuns -
•Ligações C-C próxima a heteroátomos
CH
3
CH
2
Y
+
CH
3
- CH
3.
.
CH
2
Y
+
R CH
2
+
Y R
..

68. 68
Fragmentação
- tipos mais comuns -
•Rearranjo de McLafferty
CH
2
H
CH
2
O
Z
R
.. .
+
- R
2
C=CH
2
H
CH
2
O
CH
3
H
CH
2
O
+
CH
3
.. .
+
...
(Z= H, R, OH, OR, NR
2
)

69. 69
Espectros de massas de
algumas classes químicas

70. 70
- Hidrocarbonetos -
a)ALCANOS
b)CICLOALCANOS
CH
3
CH
3
.
M-29
M-15
15
29
CH
3
CH
3
CH
3
15
.
CH
2
CH
2
+
CH
2
CH
2
+
+.

71. 71

72. 72
- Hidrocarbonetos -
c)ALQUENOS
Cátion alílico

73. 73
- Hidrocarbonetos -
d)BENZENÓIDES
CH
3
+.
CH
+
C
CH
3
H
H
H
H
H
(-
.
CH
3
)
X
m/z 77
-H
.
CH
+
CH
2 CH
2
+
C
+H
H
H
H
H
H
H
H
C
+
H
H
H
H
H
H
+
Íon tropilium
m/z 91
C
+
H
H
H
H
H
+
m/z 65
-HC C-H





74. 74
- Hidrocarbonetos -
e)HALOGENADOS
CH
3
CH
2
CH
2Cl
.
+
....
- HCl
CH
3
CH
2
CH
+.
(M - 36)
RCH
2
Br
-HBrM-80
CH
3
CH
2
CH
2
Cl
.
+
....
-(H
3
CC
.
H
2
)
CH
2
Cl
+
....

75. 75
- COMPOSTOS HIDROXILADOS -
a)ÁLCOOIS
1
o
RCH
2
OH
.
+
..
CH
2
OH
+
..
2
o
RCHOH
CH
3
HCOH
+
CH
3
..
m/z 45 / 59 / 73
(+ CH
2
/ CH
2
)
3
o
R COH
CH
3
CH
3
CH
3
C
CH
3
OH
+
.
+
..
.
+
..
..
m/z 59 / 73 / 87
M – 1 RCH=O
+
M – 2 RCHO
+
M – H
2O M - 18

76. 76
- COMPOSTOS HIDROXILADOS -
a)ÁLCOOIS
O
R H
H
H
H
H
H
H
H
H H
O
H
R
H
O
H
H
R
C
+
CH
3
CH
2
CH
2
CH
2
. +
.. + .
. .
CH
2
OH
+
.
- H
.

OH
+
HH
+
- CO
- H
2
H C
+
H
H
H
H
m/z 108
m/z 107 m/z 79
m/z 77

77. 77
- COMPOSTOS HIDROXILADOS -
b)FENÓIS
M – 28 ( - CO) ; M – 29 ( - CHO) ; M intenso estab. p/ ressonância
.
+

78. 78
c)ÉTERES
R CHO CH
2
CH
3
R
1 - R
1
.
.+
..
H
RCHO
+
CH
2
CH
2
..
.
-(CH
2
=CH
2
)
RCHO
+
H
C 1 - ALIFÁTICOS
C 2 - AROMÁTICOS
O
CH
3
+
.
C
CH
+
O
CH
3
CH
+
O
O
+
m/z 93
- CO
+
C
2
H
5
+
.. ..
..
..
m/z 65
m/z 108

79. 79
c)ÉTERES
C 2 – AROMÁTICOS (continuação)
H
C
CH
+
O
CH
2
-(CH
2
O)
m/z 108
C
C
+
H
H
H
H
H
H
-H
. C
+
H
H
H
H
H
.
.
m/z 78
m/z 77

80. 80
d)CETONAS
D 1 – ALIFÁTICAS
R
R
1
O
+.
..
- R
.
R
1
CO
+
.. R
1
C
+
O
..
..
R
O
H
CH
2
CH
2
R
1
H R
1
CH
2
R
O
+
H
CH
2
R
OH
CH
2
..
..
.+

81. 81
d)CETONAS
D 2 – CÍCLICAS
O
O
+
CH
2
O
+
CH
2
CH
2
CH
2
+
- (HC
2
=CH
2
)
- co
OU
O
+
CH
2
H
H
H
O
+
C
H H
H
CH
2
CH
2
CH
3
H
HH
O
+
.. .
+
..
.. ..
..

82. 82
4-metil-3-penten-2-ona

83. 83
d)ALDEÍDOS
R
O
H
-H
.
RC O
+
• M-1
• R ≥ 4
H
H
H
O
H
R
H
H
H
.. .
+
H
H
C
O
+
H
H
H
CH
2
O
H
.. .. .
+

84. 84
d)ALDEÍDOS
O
H
- H
.
O
+
.+.. ..
- CO
m/z 105
muito intenso
C
+
H
H
H
H
H
m/z 77

85. 85
- COMPOSTOS HIDROXILADOS -
e)ÁCIDOS CARBOXÍLICOS / ÉSTERES / AMIDAS
R
H
O
R
1
.
+
.. - (H
2
C=CH
2
)
R
1
H
CH
2
O
+
R
..
H
CH
2
O
R
.
+
..
Ácido: R= – OH (M-17)
Éster: R = – O – R ou –O – Ar (M-OR) (M-OAr)
Amida: R = -NH
2, -NHR´, NR´
2 (ocorre perda de R´)
( M-14) (M-29)

86. 86
- AMINAS -
RCH
2
NH
2 CH
2
NH
2
+
C
CH
+
NH
2
..
- H
.
CH
+
NH
..
Semelhante aos álcoois
• (M-1)
• M-HCN
C
CH
+
NH
2
..

87. N,N-dietilmetilamina

88. 88
- NITRILAS -
• (M-1)
• Mc Lafferty
N
H
CH
2
CH
2
R
.+
- (CH=CHR)
H
CH
2
N
C
CH
2
N
C
+
H.+
..
m/z 41

89. 89
- NIROCOMPOSTOS -
R NO
2
.
+ -NO
- NO
2
M - 30
M - 46

90. 90