HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE Prof. RNDr. Jan Vřešťál, DrSc. Doc. RNDr. Pavel Brož, Ph.D. MASARYKOVA UNIVERZITA, PŘÍRODOVĚDECKÁ FAKULTA, KATEDRA TEORETICKÉ A FYZIKÁLNÍ CHEMIE, Sylabus přednášky 1. Postavení hmotnostní spektrometrie mezi spektrometrickými metodami. Fyzikálně-chemické a analytické informace. Základní a molekulární pík. 2. Ionizace nárazem elektronů. Podmínky ionizace nárazem elektronů. Kritické potenciály, fragmentace. Statistická teorie fragmentace. Ionizace polem. 3. Hlavní typy reakcí monomolekulárního rozpadu iontů organických sloučenin. Štěpení vazeb. Přesmyky. 4. Metody chemické ionisace (CI a NCI). Ionisace při atmosférickém tlaku (API a APCI). Fragmentace quasimolekulárních iontů. Kondenzační reakce. 5. Metody desorpce: elektrickým polem, laserem, plazmou 252Cf, rychlými atomy a ionty. 6. Hmotnostní analyzátory I. Základní pojmy vakuové techniky. Sektorové hmotnostní spektrometry. Přístroje s dvojitou fokusací. Detekce metastabilních iontů. 7. Hmotnostní analyzátory II. Dynamické analyzátory. Kvadrupólové hmotnostní spektrometry. Monopolový analyzátor. Iontová past. Iontová cyklotronová rezonance. Průletové hmotnostní spektrometry. Detektory iontů. 8. Kombinace chromatografických metod s hmotnostní Spektrometrií I. Plynová chromatografie - GC/MS, SFC/MS, TLC/MS. 9. Kombinace chromatografických metod s hmotnostní Spektrometrií II. Kapalinová chromatografie - LC/MS. Termosprej, elektrosprej, particle beam. 10. Tandemová hmotnostní spektrometrie. Srážková aktivace. Uspořádání sektorových tandemových spektrometrů. Iontová past jako tandem. Interpretace hmotnostních spekter. 11. Kvantitativní hmotnostní spektrometrie organických sloučenin. Typová spektra. Isotopické píky. Zřeďovací analýza. 12. Hmotnostní spektrometrie v anorganické chemii. Analýza povrchů pevných látek - SIMS. Stopová analýza - SSMS, ICP-MS. 13. Vysokoteplotní hmotnostní spektrometrie. Analýza rovnovážných tenzí par. Získávání termodynamických údajů. Hmotnostní spektrometrie pro pevné látky (DIP). 14. Netradiční hmot.spektrometrie: membránový vstup (MIMS), elektrochemický vstup (DEMS). Správná laboratorní praxe. Knihovny spekter. Současné komerční hmotnostní spektrometry. 1. Postavení hmotnostní spektrometrie mezi spektrometrickými metodami Hmotnostní spektrometrie Spektroskopické metody: AE = Ej - Ek = f(x) fyzikální vlastnosti molekul v daném stavu Hmotnostní spektrometrie: NI+ (m/z), Nj_ (m/z) , společné vnější znaky Destrukční metoda, citlivost ng, pg (až fg,ag). Hmotnostní spektrum: N ~ I = f(m/z) Základní pík, molekulový pík, píky fragmentů N i*N/ I m/z ■ Hmotnostní spektrometr: ■ - tvorba iontů ■ - separace iontů ■ - registrace iontů ■ / prostředí - vakuum / Vzorek Vypaření i Ionieace Separace iontů Detekce iontů Blokové schema hmotnostního spektrometru ■ Historie J. J.Thomson( 1910)-parabolový spektrograf (Ne20,Ne22) W.F.Aston- dvojí fokusace,fotografická detekce AJ.Dempster-ionisace nárazem elektronů, detekce el., izotopická analýza (Pt,Ir) organická analýza - první komerční přístroj: 1942 ■ dynamické analyzátory: 1948-ICR, 1955-TOF, 1958-Q knihovna spekter: 1947 těkavé org. látky = omezení hmot. spektrometrie -nové ionisační a desorpční techniky: CI,FD,PD,LD,FAB..... ■ kombinované metody: GC/MS(1957), LC/MS, MS/MS, ICP/MS....... Cs.hmot.spektroskopie: 1953-první čs.přístroj vlastní konstrukce (V.Čermák, V.Hanuš a.j.) ■ 1967-komerční GC/MS (LKB 9000) na VŠCHT Praha ■ 1978-44 přístrojů v ČSSR. Fyzikálně - chemické vlastnosti molekul Kritické potenciály: IE(M) - ionisační energie AE(F+)M - energie potřebná pro vznik fragmentu Reaktivita iontů: monomolekulární rozpady ionisovaných molekul bimolekulární reakce iontů s molekulami Termochemické veličiny: PA(M) - protonová afinita (PA = AH°) GB(M) - bazicita v plynném stavu (GB = AG°) Nuclecr separation Franck-Condoii Process. ■ Kvantitativní chemická analýza ■ Použití hmotnostní spektrometrie: ■ izotopická měření ■ - relativní atomová (molekulová) hmotnost (sumární vzorce) - izotopické značení, zřeďovací analýza (datování) ■ stopová analýza ■ - znečištění UHV, netěsnosti vakuových aparatur, tenze par kovů, ■ - dopingové kontroly (ppb) (GC/MS) ■ kinetická analýza ■ - rychlé děje (hoření, pyrolýza, exploze, ■ výboje) ■ - respirační analýza (vdech/výdech) ■ speciální analýzy - ■ analýza složitých směsí (GC/MS), ■ analýza povrchů (SIMS) ■ Identifikace látek a objasňování struktury Hmotnostní spektra = f (způsobu ionisace iontů a způsobu separace iontů) spektrum není jen vlastností molekul spolupráce s jinými metodami (NMR, IR,...) Elementární složení iontů - jednoznačné v hmotnostní spektrometrii vysokého rozlišení (do jisté míry lze nahradit měřením intenzity izotopických píku (M+l), (M+2)...) Identifikace sloučenin - sbírky spekter - kombinace spektroskopických a jiných chemických dat Objasňování struktury - rozpad monomolekulárních iontů - fragmentace, přesmyky - chování modelových sloučenin nebo srovnání s kvantově-chemickými výpočty Fragmentace příbuzných sloučenin (stejný základní skelet) rozdíly: různé substituenty ve stejných fragmentech různé fragmenty podle místa štěpení molekul Hmotnostní spektra - informace o základním typu struktury, ne o funkčních skupinách Pokroky v určování struktury: nové ionisační techniky (CI, PD, F AB, FD) nové separační techniky (GC/MS, LC/MS, ...) nové vyhledávací programy Počet publikací - roste podobně jako počet publikací s NMR a RTG tematikou (Počet publikací s klasickými spektroskopiemi stagnuje) Význam: Velký objem informace z malého objemu látky (destrukční metoda s mizivě malou spotřebou materiálu) Nevýhody: Značné náklady, nutnost čistění aparatury 2. Ionizace nárazem elektronů ■ Ionizace = generování iontů atomů nebo molekul sledovaných látek - závisí na skupenství látky, stupni fragmentace apod. ■ Druhy -termická -jiskrová - elektronovým paprskem - chemická - ionizace polem - desorpce polem - desorpce laserem nebo plasmou - rychlými atomy a ionty (FAB) Termická ionizace ■ Dempster 1918 ■ kovy a jejich sloučeniny (nižší IP) < 9 e V => nemožnost vzniku vícemocně nabitých iontů => jednoduchá spektra ■ pevný vzorek nanesen na kovové vlákno (W, Re apod.) a ionty generovány termickou povrchovou ionizací při T - 2000 °C ■ při procesuje odpařeno rozpouštědlo, vzorek zplyněn a tepelně disociován na atomy (ty předají horkému ionizačnímu vláknu elektron) Jiskrová ionizace ■ kovy (i v biologických materiálech) ■ vzorek nanesen na elektrody, mezi kterými probíhá výboj (100 kV) ■ elektrody mohou být vyrobeny i přímo ze vzorku (případně směs s velmi čistým uhlíkem) ■ velmi rychlé odpaření vzorku bez oddělení jednotlivých složek vzorku ■ vznikají i vícenásobné ionty (Fe3+) a iontové klastry (Fe3+) (E: > ET) ■ velký rozptyl energií u iontů ■ pro stopové analýzy nečistot (polovodiče, supravodiče apod.) Schematické znázornění termickou NSSSW3 iontový paprsek výstupní štěrbina K V W^T »a zaostrení iontového paprsku vlákna pro vzorek ionisačnl vlákno upínací deska isolace přívod proudu oje pro ionizaci, krovou iontový paprsek výstupní štěrbina zaostření paprsku jiskrová plasma X vysoké napěti Ionizace elektronovým paprskem (El) Technika vyvinuta r. 1920 Bombardování molekul vzorku v g stavu elektrony Schematické znázornění děje ionization M sample vapor mol. Vrft. = 58 i 11 j. VI/// -: Mt- >V2 29 m/z 27 - W^ m/* 57 and absorption of excess enerqy m/z 15 uni~ mottŕtu'ar decomposition of M+* e-B + M: M +< + e E+e B, B bombardující elektron před kolizí MH M .. molekula vzorku e_E .. emitovaný elektron ion radikál molekuly (katión radikál) e_B, .. bombardující elektron po kolizi Schematické znázornění iontového zdroje pro el impact Repeller plates Electron trap Sample inlet Pressure (ca. 10-6 Torr) ft Ion beam to mass analyser Electron beam Tungsten (Re) filament (ca. 1 mA electron beam) Extraction and high-voltage accelerating electrodes Collimating slit Beam-centring plates FROM INLET SYSTEM IZ AT ION CHAMBER O o 0 ACCELERATION PLATE Schematické znázornění nepružných srážek elektronů s dvouatomovými molekulami v plynném stavu Eel t (•v) disnciační energie vazby 25-35 eV 20-- 8,5 - 14 eV org. 4,5-24 eVanorg. ionizační potenciál molekuly 10- 2-10 eV 0-2 eV 0-1- ©/ P \©)Á Cr cr K^M/ cr iontový pár dvojitá ionizace disnciační ionizace disociační elektronový záchyt > rezonanční záchyt excitace ! Ve skutečnosti jde ! o interakci pole e" a molekuly MS pozitivních iontů měření ionizačních potenciálů MS negativních iontů Pravděpodobnost ionizace = počet srážek ionizujících (lcm,ltorr,0°C) / počet srážek celkem Kolem hodnoty 30 e V je již fragmentační obraz ustálený a ionizační účinnost elektronů málo závislá na jejich energii Ionizační potenciály ■ Atomy a anorganické sloučeniny Atom IP (eV) Atom IP (aV) Sloučenina IPieV) Sloučenina ipíôV) H 13,595 As 9,81 NH3 10,34 *v 11,47 He 24,581 Se 9,75 HCN 13,86 H3O 12,60 Li 5,39 Br 11,84 H2 15,44 CO 14,1 C 11,256 I 10,454 F20 13,7 coci2 11,77 N 14,53 0 13,614 cio2 11,1 C103 U*,7 F 17,418 Na 5,138 NO 9,25 N20 12,9 M« 7,644 Al 5,984 N02 9,91 BH3 10,09 Si 8,149 P 10,484 B2H6 Í2.1 BF3 15,5 S 10,357 CI 13,01 SiH4 12,2 SiCl4 11,6 K 4,339 Ca 6,111 Si02 11,7 V 10,45 Fe 7,87 Zn 9,391 cs2 10,15 502 .13,4 Cu 7,724 Ge 7,88 PCI3 12,3 r±ci4 11,7 Ionizační potenciály - pokračování ■ Organické sloučeniny Sloučenina IP íeV) Sloučenina IP ÍeV) Sloučenina IP ÍeV) methan 13,07 acetylén 11,40 ethylen 10,60 ethan 11,65 allen 10,16 cyklopropen 9,95 cyklopropan 10,23 propan 11,21 vinylacetylen 9,9 butan 10,80 isobutan 10,79 cyklopentadien 8,7 cyklobutan 10,58 benzen 9,31 toluen 9,20 cyklohexan 10,3 naftalen 8,26 fluorbenzen 9,67 chloroform 11,42 cci4 11,1 CÍ^C12 11,4 methylchlorid 11,42 ethylchlorid 11,18 propylchlorid 10,86 sthy Lbromid 10,49 hrombenzen 9,41 acetonitril 12,46 ethylenintin 9,94 methylamin 9,41 dimethylamin S, 93 pyridin 9,76 formaldehyd 10,87 methanol 10,9o ethylenoxid 10,65 Ke ten 9,4 ethanol 10,65 aceton 9,89 propanol 10,20 furan 9,00 diethylether 9,72 fenol 9,01 anisol 8,36 HCO^H 11,51 glyoxal 9,48 CH3C02H 10,66 CH3C02CH3 10,27 nitromethan 11,34 thlofen 9,1 Omezení: lel < 200-500|LxA (10~3 Pa)^ konst. pro různé plyny (He, N2 apod.) p < 10"3 Pa ; 1 [cm] = 5-10~3 / p [torr] l.... stř. volná dráha T = konst. (kondenzace) 10-15eV .... kovy, 70-80eV .... org. látky Eel = konst. Doba pobytu v komůrce: Molekuly «lms lonty « 1 |lls ionizační potenciály kovů => ionizována jen část objemu plynu vliv emisního proudu 200 £150 Erste Ionisierungsenergie -Ej [eVl 5 10 15 I // - g g ry. 100 ' 80 c 60 9 *. 40 (o) áUiíVl m/e —-. The dependence of the electricai operating conditions of the described device on the gas source employed (ionization energy: 15 eV). Tne intensities of the ion currents of mass 63 (63Cu at 1250 K plus background gas (BG) (a); background gas (BG) only (o) for: a total emission current of (a) IE - 400 n A; (b) IE - 50 «.A. IE .... ionization energy AE .... appearance energy Kritické potenciály; fragmentace IE (M), AE (F+)A - ionizační potenciál molekuly odpovídá IE pro objevení se iontu fragmentační potenciál (viz. dále) 1 Kritický potenciál odpovídá ionizačnímu potenciálu krátká doba interakce => vypovídá o pravděpodobnosti ionizace ^^^^^^ ~x.~„~„ ~„~„^:„ JF F MF omezeny prenos energie 70 eV = optimum \2E 2-80-1,6-10 m 9,1-10 m s 5,6 -W m s ^ofe^s5-10-10[m] ■i3_i n-i4 -loo x**le>f // v > /O frekvence vibrací «10" během ionizačního procesu zůstává nezměněna rovnovážná vzdálenost atomů - Frank - Condon 10-14s e- přenáší na molekulu jen část své energie Frank - CondonŮV princip: (in: R.I.Reed, Mass Spectrometry, 1965) vibrace excitovaného elektronového stavu probíhají kolem rovnovážného počátečního rozdělení jader atomů ideální případ - (IEV ^IEJ rozdíl rovnovážných vzdáleností minimální Nuclecr separation reál - snížení stability radikálu = větší rozdíl zde již otázka platnosti F.C. principu (vysokofrekvenční vibrace) => disociace Energie ionizovaných molekul, vícenásobné ionty ■ Adiabatické přechody nebo přechody do nevážných stavů nej sou vyloučeny => při ionizaci mohou vznikat i vícenásobně nabité ionty ■ Pravděpodobnost, že molekula získá při běžně používaných hodnotách IE (70 eV) energii vyšší než je její ionizační potenciál IE (M) (nad 5 e V od hodnoty IE (M) ) je dosti malá II V ■ Při větším převýšení mohou vznikat vícemocně nabité ionty (další elektronově vzbuzené stavy), tzn. nejen pouhá excitace ionizovaných molekul rotačně vibračně => (IEn (M)) apod. Přebytečná energie: Etransl, Erot, Evib, E el "V" vedou k rozbití molekuly j e-li Evib, Eel > Evazby Teplota posiluje fragmentaci zvláště složitých molekul (klesá zastoupení ionizovaných molekul) - převýšení disociace rozložení vnitřní energie ionizované molekuly (nad IE (M)) 7S#}Cft rozložení vnitřní energie pro různé teploty 3eV Fragmentační ionizace: monomolekulární rozpad určený obsahem vnitřní energie (paralelní a následné reakce - "metastabilní ionty") Fragmentační dráha závisí na faktorech: Síla vazby, která má být přerušena Stabilita produktů fragmentace (ionty, neutrální molekuly) Vnitřní energie fragmentujících iontů v Cas mezi tvorbou a detekcí iontu (mez 10-5 s) Fragmentační procesy: 1. M+#-------->A:+ + N# (H#, OH#) .................. katión + radikál 2. M+#--------> A+# + N: (C2H4, CO apod.) ......... kation-radikál + molekula Fragmentační potenciál: Appearance potential odpovídá celkové energii pro ionizaci molekuly a fragmentační procesy Vztah mezi tvorbou iontů a energií ionizujících elektronů (elektronvolty): oblast A = prahová oblast, tvorba hlavně molekulárních iontů; oblast B = tvorba fragmentačních iontů; oblast C = běžný provoz Energie elektronu [eVJ Zjištěné hodnoty ionizačních a fragmentačních potenciálů vedou ke stanovení tvorných tepel iontů a disociačních energií vazeb Vliv ionizační energie na charakter hmotnostního spektra (C5H5COOH) 70 eV 105 77 51 39 tA M* 20 eV 105 77 M- 12 eV 105 _l_ miz § 30 eV Mí 105 77 51 39 S Mí 15 eV 105 S M- 9eV miz molekulární a zároveň i základní pík S rostoucí energií elektronů roste podíl fragmentačních iontů v Stimulace vývoje nových ionizačních technik Vliv teploty na charakter hmotnostního spektra g (i) Source temperature 160°C Mt 1 1, .*,. ■ 4— 1—,------------------r Mass spectra of the peptide derivative, C6H5CH2OCONHCH(CH(CH3)2CONHCH2COOCH3, recorded at (i) 160° and (ii) 250°C molekulární pík S rostoucí teplotou roste podíl fragmentačních iontů základní pík Vliv struktury na charakter hmotnostního spektra 100 80 Co 60 40 20 43 57 29 41 27 20 40 55 I____L 71 CH3CH2CH2CH2- CH, CH, •CHřCH3 99 (M+, no peak) -128 113 60 80 100 120 140 miz Mass spectrum of nonanc (C9H2n) S rostoucí rozvětveno stí řetězce molekuly roste podíl fragmentačních iontů a může až úplně zaniknout molekulový pík loo.o—i r0,0— 10,0— 20.0— Cí i'V''A r CH,-CH2-CH2-(CH£)2ö CH£-CH2-CH3 M*'366 Cti i j j r j m fM c'6 c'° c2°c" c>** i OD ISO ?0O 150 3D0 350 Pravidelná skladba uhlovodíkového řetězce vede k existenci fragmentů tvořených pravidelným štěpením základní jednotky Mass spectrum (El. 70 eV) of hexacosane. Vliv struktury na charakter hmotnostního spektra - pokračování 100 50 - 228 114 1«H ,.|,„i[i„.|.,..1ď.|...,...t|i,..,...r»i , r.,ľ.L, , , |........|.......i—j—t........ť-"i"|'"ť | i" i ICO 150 200 Mass spectrum (El, 70 eV) of chrysene. MIST 61733: BUCKMINSTERFULLERENE 360 r-36% 240 33Ô 0 5D ioa ,361 16% 567 720 721 722 643 150 200 250 300 350 TýrHrtn i|ii»|iiii|»"|iiii|irii|iiir|iiii|iiii|iiii|iiii|iiii|iiii|iiii|iiii|i 400 450 500 550 BOO 650 700 )ll|lMŕ|lh^il^iM|iil 44 ,723 Růst konjugace systému vede ke vzniku i vícemocně nabitých iontů v Možnost stanovení molekul s větší hmotností i na přístrojích s malým hmotnostním rozpětím Shrnutí ■ Technika El poskytuje: údaj o molekulové hmotnosti a také strukturní informace ■ Je důležité zjišťovat spektra látek vždy za podmínek, při nichž j sou známa (přesně definované podmínky - standardně 70 eV) ■ Některá úskalí metody: Některé látky podléhají termickému rozkladu ještě před ionizací nebojsou po ní velice náchylné k fragmentaci díky teplotám vyžadovaným pro zplynění Je často obtížné rozlišit strukturní izoméry Některé látky jsou málo nebo netěkavé a při vyšších tlacích často tvorba quasi-molekulárních iontů (MH+) apod. ■ obejití použitím jiných ionizačních technik Statistická teorie fragmentace (in: R.I.Reed, Mass Spectrometry, 1965) Rosenstock 1952 Výpočet zastoupení iontů v hmotnostních spektrech Eel > Evazba => reprodukovatelné rozpadové reakce Předpoklady: ionizace elektrony bez změny meziatomové vzdálenosti (Frank-Condon) - elektronově excitovaný stav dodatková elektronová energie se rozdělí v molekule iontu jako vibrační energie dříve, než dojde k fragmentaci Fragmenty - monomolekulární rozpad - následné a bočné reakce Rychlost reakcí - výpočet z teorie absolutních reakčních rychlostí (hustota stavů p(E) tj. fee hustoty místo rozdělovačích partičních funkcí) .(E-E0) _ Z 'E-EnY-T1 V E {e-e0) L-Ü (kvazirovnováha - aktivovaný komplex) okamžitá koncentrace v čase í Semiempirická teorie (ověření výsledků experimentem) E .. excitovaného iontu E0 .. aktivační pro rozklad L vnitřní rotace L* .. vnitřní stupeň volnosti pro aktivovaný komplex N celkový vnitřní stupeň volnosti molekulárního iontu Z faktor R. M. Sathe (in: R.I.Reed, Mass Spectrometry, 1965) The Qausi-equilibrium Theory of Mass Spectra ■ Předpoklady - viz. Rosenstock ■ Výpočet podoby hmotnostního spektra je záležitost velké komplexity a je úspěšný v případě malých molekul (propan, etan, metanol, propanol atd.). ■ Průběh fragmentace není statisticky nahodilý, ale závisí na výšce bariéry pro daný rozpad (tzv. kritická energie) a počtu kvantových stavů, uskutečnitelných v přechodovém stavu reakce ■ Kvalitativní, popř. semikvantitativní popis kinetiky monomolekulárních rozpadů iontů podává teorie "kvazistacionárního" stavu A. L. Wahrhaftig (in: R.I.Reed, Mass Spectrometry, 1965) The Theory of Mass Spectra and the Interpretation of Ionization Efficiency Curves 1 Vztah pro rychlostní konstantu rozpadu souboru iontů o vnitřní energii E a aktivační (kritické) energii E0 : kE - W*{E-Efí) hp{E) počet kvantových stavů v konfiguraci přechodového stavu (mezi E0 a E) hustota energetických stavů v konfiguraci výchozího iontu Ze vztahu vyplývá i AH* a AS* (významné pro posouzení reakcí pro danou teplotu) Řešení pro vícemocně nabité ionty odděleně Podle tohoto vztahu lze fragmentační reakce rozdělit na přímá štěpení a přesmyky Ionizace polem (FI) ■ Technika vyvinuta kolem r. 1960 (FDI - kolem r. 1970) ■ Princip: tunelování e~ ve vysokém spádu napětí ■ anoda: drát § 10 \im (W) - kontakt se vzorkem • VZOrek: plynnný =>pakFI kondenzovaný => pak DFI - netěkavé nebo málo těkavé látky naneseny přímo na drát (glykosidy, peptidy apod.), často přídavek solí pro lepší ionizaci ■ katoda: výstupní štěrbina IZ (7-10kV) => gradient 107-108Vcm_1 => odstranění elektronů z molekuly (tunelový efekt pro nejslaběji vázaný e~) ■ Důležité: přenos vnitřní energie na molekulový ion je malý => "měkký" ionizační proces Ionizace v plynné fázi => částečná fragmentace => strukturní info zachována ■ Platí: kvantově mechanický popis chovaní iontů v el. poli ■ Výhody: molekulární ion téměř vždy existuje => sledování vlivu T, rychlých změn apod. ■ Nevýhody: ■ tvorba quasi-molekulárních iontů (MH+) blízko anody, kde je velká koncentrace vzorku ■ malá reprodukovatelnost, malá citlivost pro nepolární molekuly => méně se této technice věří -> nejistota ■ ovšem tato technika je považována za lepší než technika CI, kde vznikají vyšší adukty (M + C2H5+ apod.) Schematické znázornění metody ionizace polem (field- ionization FI) Cathode Anode Entrance slit to moss analyser / Focusing unit Srovnání metody El a FI 100 I50 O (i) 109 57 73 -JL 114 / 133 152 HO' OH (El) 151(B) 133(S) J_L K 284(M+) 40 n——i---------1— 80 120 160 200 m/z 240 280 100 -50 Hh (ii) 152 0 HO'' 'OH 15KB) 133ÍS) 133 (FD 284(M*) ^J í i l ---------1-----------1-------' i L^ 120 160 200 240 280 300 m/z Mass spectra of xanthosine obtained by using different ion sources: (i) electron impact; (ii) field ionisation 3. Hlavní typy reakcí monomolekulárního rozpadu iontů Schema vzniku fragmentů z neutrální molekuly m/z 29 m M Páry vzorku (reUmoI. hmotnost 58) ./z 27 j * 57 Ionizace a absorbce nadbytečné energie Monomolekularm rozklad M+ Nepružná interakce elektronu s dvojatómovou molekulou t (•V) cr ©/ ion pair 20-- C ~o í -D. ^ ist* y cr Cr'" double ionization dissociative ionization ionization dissociative electron capture \S©1 er' m excitation Inelastic collision of electron with biatomic molecule Typy fragmentace: Fragmentace aromatických a alifatických molekul 100 50 V. i'1'i A i' IM v.+z 228 M* i—36% .......r'T"T"A"l •"'i'"'' 'I.......I.........I.........| ' I ' 1........1 I I.......j—.|—.|.,..,T..j... 100 150 200 -18* Mass spectrum (El. 70 eVJ of chrysene. CH3-CH2- CH,,- (CH£)2Ö-CH£-CHE -CH3 -W M+366 U1ijiu,u,u;:uTi,í"£i1 JOD 150 700 250 V........I 300 350 Mass spectrum (El, 70 eV) of hexacosane. Závislost fragmentace na energii ionizujících elektronů 70 eV M? 30 eV Mt 105 5 51 39 77 i 105 77 g 51 39 jLJL MÍ 1 20 eV 105 77 g M- 15 eV 105 J_____1 . JL _i__L Mí í 12 eV 5 105 I i MÍ t 9 eV *í LC mfz m/z Mass spectra of benzoic acid (C6H5COOH) obtained by using different beam energies Jak predikovat spektra HS ? ■ Statistická (kvazirovnovážná) teorie - ■ Rosenstock (1953)-semiempirická ■ Empirická pravidla: typy fragmentace organických molekul Statistická (kvazirovnovážná) teorie hmotnostních spekter Předpoklady: - Ionizace probíhá „vertikálním" přechodem - beze změny meziatomové vzdálenosti (Franck-Condon) - Fragmentace - až po době dostatečné k dosažení náhodného rozdělení dodatkové elektronové energie jako vibrační energie - Fragmentace - série následných kompetitivních monomolekulárních rozkladů excitovaného iontu - Rychlostní konstantu každé z těchto reakcí lze vypocíst na základě teorie reakcních rychlostí (aktivovaný komplex) - Dodatečné informace jsou nutné (znalost reakční dráhy, aktivační energie, přenosové funkce...) Empirická pravidla pro fragmentaci organických molekul v ■ A. Štěpení ■ Alkany - CH3, CH2 - fragmentace v místě větvení řetězce ■ Přednostní odstranění heteroatomu ■ Vinyl, benzyl - fragmentace za vzniku tropyliového iontu ■ Aminy, étery, alkoholy - alfa štěpení ■ Fragmentace Retro-Dielsovou-Alderovou reakcí ■ Eliminace malých molekul ■ Snadná ztráta skupin -COOH a -OH ■ B. Přesmyky Mc Lafferty - přesmyk 5.2. Fragmentace ionizované molekuly K vytvoření molekulárního iontu je dostatečná ionizační energie kolem 10 eV . Běžně se však používají energie značně vyšší - kolem 70 eV - neboť jen tehdy se dá zajistit reprodukovatelnost spektra. Tento přebytek energie má za následek štěpení slabých vazeb mezi atomy a vznik fragmentů. Zatímco molekulárním iontem je kation-radikál, fragmenty mohou být neutrální molekuly, radikály, kationty nebo opět kation-radikály. Poslední dva typy jsou pozorovatelné ve spektru; na vznik neutrálních fragmentů usuzujeme jen z rozdílů hmotností nabitých částic. Obecně lze fragmentaci popsat tímto schématem. Ne všechny fragmentační cesty jsou stejně pravděpodobné, např. štěpení iontu Fi+ na radikál R2" a kation-radikál F34"* je možné jen výjimečně. Kationty fragmentují většinou za vzniku neutrální molekuly N2 a nového kationtu F^. Při štěpení kation-radikálu F2 ' na katión Fs~ a radikál R3* vznikají převážně kationty s nižší ionizační energií, t.j. relativně stabilní kationty, jako je R-C=0+ , nebo kationty s možností resonanční stabilizace, např. CH2=CH-CH21 <—> fCH2-CH=CH2- Toto štěpení může být ale také řízeno vznikem stabilního radikálu, např NO* nebo CJ-fe\ Ve formě stabilní molekuly N|f3) se mohou odštěpovat např. voda, CO, CO2, HCN ale i větší molekuly j ako jsou alkeny nebo acetonitril. Ke štěpení jednoduchých alkylových vazeb dochází převážně v místě větvení. Toho lze využít pro zjištěni polohy terciálního nebo kvartemího uhlíku v alky lovem řetězci. M + m/z 3 66 (C26) Fi m/z 253 (Clg) C 26 - C18 = Cg F2 m/z l 83 (CI3) C 26 - ^ 13 " C i3 F3 m/z 309 (C22) C26 " C22 = C4 CH3-(CH2)7 f CH - (CH2)I2-CH3 c 22 á (CH 2)3 C IT 3 Čia----------- Jestliže v limotnostním spektru uhlovodíku C26 najdeme vedle molekulového piku J\f * m/z 366 také tři intenzivní piky m/z 253, 183, 309 můžeme je přisoudit fragmentům Cis, C13, a C22 vzniklým štěpením naznačeným ve schématu šipkami. Odpovídající neutrální radikály dostaneme odečtením fragmentů Cis, C^, a C22 od C20, t.j. Cs, Cn a C4- Protože součet uhlíků v těchto radikálech je 25, musí být tyto vázány najeden terciální uhlík molekuly C26 > který je v poloze 9 základního dvaadvacetičlenného řetězce. U substituovaných alkanů dochází často k významnému štěpení vazby za atomem uhlíku sousedícím s heteroatomem. Průběh tohoto t.zv. q-átěpení je zřejmý z následujícího schématu. H Ŕ CH — CH—ÍH -£• CH3 — CH= OH CH R,. ± R- / N—CH- CH R) R >N =CH: Kromě a štěpení je u halogen-derivátů samozřejmě také možné štěpení přímé t.j. na vazbě C-X, které vede buď k oddělení atomárního halogenu nebo halogenovodíku. 4-R—Oir-CHU—X !H2 CH2" R— CH= CH2 R— CH2 — CH2 U aldehydu, ketonů a esterů vede a štěpení k řadě fragmentu stabilních acyliových iontů; c R R1 R" O R----CsO HC=0 m/z 29 R'OC^O R Príklad: Ve spektru ethylesteru kyseliny krotonove byly nalezeny významné píky: M+ 114, F 99, 86, 69 (hlavní pík), 41. CHi-CH=CH-CO-0-CH;rCH3 1 14-99=15 a štěpeni CH3 y. ethoxylu, 114-86-28 přímé štepení na vazbě O-CH2 za vniku ethylenu CH2=CH2, 114-69=45 a štěpení ethoxylu z ethoxykarbonylu za vzniku relativně stabilního iontu CH3-CH=CH-CO*ř 69-28=41 odštěpení neutrální molekuly CO za vzniku relativně stabilního allylového kationtu CH2=CH-CH2+. Pro karbonylové sloučeniny mající v gama poloze vodíkový (deuteriový) atom je významným fragmentačnim štěpením Lev. McLaffertyho přesmyk. CsH5+ nebo kation-radikál CsHô** vznikají rovněž fragmentací anilinu (odštěpení HCN) a fenolu (odštěpení CO). (CH,),R C^ (CH2)3 -----R CH2 = CHR ^CH2 H m/z 92 H J-~ H m/z 91 CH=CH m/z 6 5 CH2----- OH <^ y----- CH = Ö m/z 106 o m/z 79 LI H \ / q-^=- q m/z 105 CÓH5 m/z 77 Aromatické nitroderiváty vykazují kromě iontu vzniklého odštěpením nitroskupiny také fragmenty, které svědčí o přesmyku nitroskupiny na nitritovou ještě před fragmentací. Svědčí o tom píky, které vznikly odštěpením NO a CO skupin. QH5 m/z 77 "ONO N0- • CH«*CH -*----->■ C4H3 m/z 51 NO O f V m/z 93 CO m/z 65 Jakje vidět, projevují se jednotlivé skupiny organických sloučenit typickými fragmentačními mechanismy; toho lze využít při strukturní analýze neznámých látek. Ne všechny fragmentace jsou uvedeny v tomto stručném přehledu - pro hlubší studium je vhodné, prostudovat si další možnosti z odborné literatury. U nenasycených sloučenin dochází Santo kě štěpení ally-lových a benzylovýcb raiel za vzniku stálých allylových či benzylových kationú (4-3) a (4.4)1 X I i ' . V -I • „ l C=C-C-C- ** -----»_ C_-Cr-_C + + "C- (4.3) / I I ' X I /-=V I'' + /=V 1 I I -C-O-C- - —^ ^c + + -C-C. Benzylové ionty se mohou dalo přeBmyknout rozSířením kruhu na ionty trouyliové. Přítomnost heteroatOEU -v molekule má Sasto za následek oslabeni některé z vazeb v katlon-radlkálu. U těžších hetero-atonrů {Br, I, S, Se apod.) se snadno Stepí vazba C-heteroatom (4.5)i — -- ------ - - ------ ----......- - I I -C-X+* -----_ -C+ + X* (4.5) J I Pro alkoholy, ethery a aminy je charakteristické tsT. t<-Štěpení (4.6), I I I \ -C-C-XR"1"" ----«— -C + C=XH+ Ct.6) Ji 1 y Sloučeniny obsahujíci karbonylovou skulinu, zvláště aldehydy, ketony, kyseliny a" estery, poskytují pô ionizaci acyliová fragmenty vznikající přímým Stopením (4-7): 0 1 f U ' -C-C-R +- ----~- -C + R-CO+ (4.7) I I U aldehydu, zvláätě aromatických, jsou typická ionty (U .- H)*. U ketonu dochází přednostně ke štěpení C-CO vazby v místě vyššího rozvětveni řetězce a opět se více Eachovavají ionty vzniklé ztrátou většího radikálu. Háboj se může šachovat též na uhlíkaté části, zvláště je-li alkylový zbytek rozvětven v rf, — poloze. 4.1 Přímá 5tupeni vazeb (reakce typu A) K přímému Strpení dochási xovn&z u iontů se sudým počtem elektronů, vzniklých buď fragnantací, nebo pxipojemm protonu při chemické ioniaaci (4-6)- Uhlovodíková lonty často ztrácejí molekulu oleJCinu za vzniku nizaxho homologu opět se sudým poetem elektronů (4.B): _C_C_C+ --------*- -C+ + /C=Cv U-8) řrotonoTané molekuly alkoholů, etherů a esterů se rozpadají hoterolyzou vazby C-0 (4-9): I + 1 -C-O-R ----i— -C+ + HOR (4.9) ' H I U katlon-radikálů vzniklých z cyklických molekul dochází k přímému štěpení dvou vazeb za vzniku dceřiného kation-radikžlu a molekuly. Reakce tohoto typu (4.10>-(4.1 Z) lze formálně považovat za retrogreee cykloadicí (2 + 2) (4-10) a (4 + 2) (4.11) nebo cheletropních reakcí (4.12) OH +- ----— CH?=CH-OH*" + C2H4 (4.10) O I4-- Cir2=GH-CH=CH2+' + C2H4 (4.11) i-. CO (4.12) Podobne dochází k vystepování molekuly kyanovodíku z kation-radikáiú aromatických azinů, i když tato reakce snívá často složitý mechanismus. 4.2 Přesmyky (reakce typu BJ Páro fragmentace probíhaj íoí a prestnykem Jsou charakte— rlatické cyklické přechodové stavy a vznik nových vazeb v doeřinýoh" iontech. Přesmyky Jsou v "chemii iontu v plynné rasi velmi časté a n«?kdy ve skryté foraS přftdcháze^i přímému štěpení vazeb- Jedním z nejvýznamnějších preaayku Je reakce typu HcLaiferty Q*r.?-3) • která probíhá v katión-radikálech aldahyďuV" ketonu", "éaterů, oximu a terminálni ch alkenů a poskytuje molekuly alkenů a dceřiné kation-radikály: "1 ,jl a * X, Podmínkou průběhu reakce Je přítomnost alespoň Jednoho vodíkového atomu v j'-poloie vzhledem ke karbonylu nebo dvojné voibä. Rozdělení náboje meii fragmenty se řídí pravidlem dle Stevens ona—A-udi era-í . '■ ■ Mezi důležité přesmyky patří též eliminace malých molekul (voda, alkoholy, halogenovodíky, kyseliny, olefiny), "Jež Írobíhají přes pěti nebo šestičlenné prechodové stavy (4-14). 4.15): (M - IUO)*- (4-14) R-3-OH+" + -í^^- 14,15 J Přesmyky_Jsou časté i u iontů se sudým počtem elektronů, která vznikají atrátou radikálu z mateřských kation—radikálů. i Oxoniové ionty]ztrácejí molekuly alkenů s přenosem vodíku ma vzniku nižoich homologů (4-16): i I - I 1 \ / -C-C-C-O-C- ------a— IIC=0+—C- + C< (4.1G) Podobne může dojít k přenosu vodíku na heteroatom v/oniových / lontech (4.17): , , '------------ 11 + 11 - I I \ y -C-C-X=C-C- ---------— HK-C-C- -t- C=C (4.1?) Speciální, ele štruktúrnu výsnnmiió přesmyky lze pozorovat u nrpnintických kation-radikálú, napr. při ztrátě HO z nitro— sloučenin, nebo při"interakci dvou skupin v ortho-poloze-