247

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΔΩΔΕΚΑΤΟ

ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ ΜΑΖΩΝ Η φασματομετρία μαζών (mass spectrometry) είναι μια από τις σημαντικότερες μεθόδους προσδιορισμού δομής και μοριακού βάρους των οργανικών ενώσεων. Τα νεώτερα μηχανήματα φασματομετρίας μαζών έχουν νέα συστήματα κενού, ποικίλες τεχνικές ιονισμού, μεγάλη διαχωριστική χρωματογραφική ικανότητα, αναλυτές απλής και διπλής εστίασης, θραυσματοποίση και υψηλής ποιότητας διαχωρισμό μοριακών θραυσμάτων και ποικιλία ανιχνευτών (διαφορικός, υπεριώδους-ορατού, φθορισμού, ηλεκτροχημικός, κ.λπ) . Η καταγραφή του φάσματος γίνεται με εξαιρετική ακρίβεια, επιδέχεται διορθώσεις και με τεράστιες βάσεις δεδομένων μπορεί κανείς να έχει τη σύγκριση της αναζητούμενης δομή των οργανισών ενώσεων που αναλύει. Η νέα τεχνολογία της συζευμένης φασματομετρίας μαζών ή δίδυμης φασματομετρίας (tandem LC-MS-MS) με τετραπολικό αναλυτή μαζών (TSQ, Triple Stage Quadrupole) έχει βελτιώσει σημαντικά την ανάλυση θραυσμάτων πολικών ενώσεων.

12.1. Φασματογράφος Μαζών Ο Φασματογράφος μαζών (ΦΜ) είναι ένα όργανο που με τη βοήθεια ηλεκτρονικού βομβαρδισμού τεμαχίζει την ουσία που μελετάται παράγοντας ιόντα. Τα ιόντα αυτά επιταχύνονται με τη βοήθεια ισχυρού μαγνητικού πεδίου και συλλέγονται από τον ανιχνευτή σε διαστήματα ανάλογα με το μοριακό τους βάρος. Ο Φασματογράφος μαζών απεικονίζεται στο ακόλουθο σχήματα (12.1 και 12.2).

Σχήμα 12.1. Φασματογράφος μαζών. Σχηματική αναπαράσταση της εισαγωγής του δείγματος, της περιοχής ιονισμού, επιτάχυνση και διαχωρισμό των θραυσμάτων– ιόντων με την επίδραση μαγνητικού πεδίου.

248

Η παραγωγή ιόντων στο φασματογράφο μαζών γίνεται με βομβαρδισμό του ατμού της ουσίας (που προηγούμενα έχει εξαερωθεί σε υψηλή θερμοκρασία) με ηλεκτρόνια. Ο ατμός που παράγεται με εξάτμιση περνάει στο θάλαμο παραγωγής ιόντων σε χαμηλή πίεση των 10-5–10-7 mm Hg και βομβαρδίζεται με ηλεκτρόνια ενέργειας 10-100 eV (που παράγονται από ένα ηλεκτρικό νήμα). Ενέργεια της τάξης των 10-15 eV ανταποκρίνεται στο δυναμικό ιονισμού (ionization-potential) των περισσότερων οργανικών ενώσεων και έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία θετικών ιόντων με την αφαίρεση ενός τουλάχιστον ηλεκτρονίου από το οργανικό μόριο, δηλαδή

−+− +⎯→⎯+ eMeM eV . Τα ιόντα που παράγονται καλούνται μοριακά ιόντα (molecular ions). Καθώς η ενέργεια των ηλεκτρονίων με τα οποία βομβαρδίζεται το δείγμα αυξάνεται και πέρα των 15 eV, τα μοριακά ιόντα υπόκεινται σε νέα διάσπαση παράγοντας θραύσματα ιόντα (fragment ions) που είναι χαρακτηριστικά της μοριακής δομής της οργανικής ένωσης. Έχει βρεθεί ότι με ενέργεια ηλεκτρονίων περίπου 70 eV πραγματοποιείται συστηματική θραυσματοποίηση δεσμών του μορίου, που μπορεί να αναπαραχθεί σε σημαντικό βαθμό. Με ενέργειες ηλεκτρονίων άνω των 70 eV παρατηρείται σχηματισμός ολοένα και αυξανόμενου αριθμού διπλά-φορτισμένων ιόντων, που οφείλεται στην αφαίρεση δύο ηλεκτρονίων από το μόριο ή το μοριακό ιόν του δείγματος.

Σχήμα 12.2. Σχηματική εικόνα του φασματογράφου μαζών με απλό μαγνητικό αναλυτή των θραυσμάτων – ιόντων (α). Σχηματικό διάγραμμα τετραπολικού μαγνητικού αναλυτή (β).

249

Τα θετικά ιόντα που σχηματίζονται με αυτό τον τρόπο αποβάλλονται από το χώρο ιονισμού εφαρμόζοντας ηλεκτροστατικό πεδίο με ειδικούς δίσκους που επιταχύνουν τα ιόντα μέσα από τις κεντρικές οπές προς τη σχισμή Α (Σχήμα 12.1.). Τα επιταχυνθέντα ιόντα εισέρχονται στο χώρο του μαγνητικού αναλυτή (πόλοι ενός ισχυρού μαγνήτη) για τον τελικό διαχωρισμό τους ανάλογα με το μοριακό τους βάρος. O μαγνητικός αναλυτής είναι ένα σύστημα ισχυρών μαγνητών που το μαγνητικό του πεδίο διαπερνά το διάδρομο της πορείας των μοριακών και άλλων ιόντων προς μαγνητικό διαχωρισμό. Συνήθως ο μαγνήτης σχηματίζει τοπικό μαγνητικό πεδίο σε σχήμα ανοιχτής βεντάλιας με γωνία 60 ή 900, που έχει την ικανότητα να εκτρέπει τα θετικά ιόντα προς τον συλλέκτη.

Σχήμα 12.3. Φασματογράφος Μαζών. Το σύστημα ανάλυσης ιόντων. Φασματοσκοπία μαζών με αέριο χρωματογράφο (GC–MS) και αυτόματη δειγματοληωία πολλών δειγμάτων.

250

Η επιτάχυνση ενός ιόντος με φορτίο e- σε ένα ηλεκτροστατικό πεδίο με δυναμικό V του δίνει κινητική ενέργεια 1/2mv2 (όπου m είναι η μάζα και v η τελική ταχύτητα). Η δυναμική του ενέργεια λοιπόν είναι:

)(2/1)( 2 ήmvήeV κινητικδυναμικ = (12.1) Όταν το ιόν μπαίνει μέσα στο μαγνητικό πεδίο υπόκειται την επίδραση μιας κεντρομόλου δύναμης, Ηev, που εξισορροπείται από μια φυγόκεντρο, mv2/r (όπου r η ακτίνα από το σχήμα 12.3)

rmvHev /2= (12.2) Οι εξισώσεις (12.1 και 12.2) συνδυάζονται στην 12.3:

vrHem 2// 22= (12.3) Από την εξίσωση 12.3 φαίνεται ότι ο φασματογράφος μαζών μπορεί να διαχωρίσει ιόντα σύμφωνα με το πηλίκο της μάζας/φορτίο και όχι μόνο ως προς τη μάζα τους. Έτσι δύο ιόντα με μάζες (m)+ και (2m)2+ θα διασχίσουν την ίδια τροχιά για το αυτό μαγνητικό πεδίο Η και δυναμικό επιτάχυνσης V. Ωστόσο, πρέπει να σημειώσουμε ότι τα περισσότερα ιόντα που παράγονται κατά τη θραυσματοποίηση οργανικών ενώσεων στον φασματογράφο μαζών έχουν φορτίο 1+. Το φάσμα μαζών συνήθως καταγράφεται σε σταθερό μαγνητικό πεδίο και μεταβαλλόμενο δυναμικό επιτάχυνσης, που καλείται σάρωση τάσης ή ηλεκτρική σάρωση (voltage or electric scan) και μπορεί να πραγματοποιηθεί σε δευτερόλεπτα. Αντίθετα, σταθερή V και μεταβαλλόμενο Η, που καλείται μαγνητική σάρωση (magnetic scan), είναι δύσκολο να πραγματοποιηθεί σε μικρό χρονικό διάστημα, λόγω της επαγωγικής αντίστασης του μαγνήτη που δε μπορεί να μεταβληθεί ταχύτατα. Το φάσμα λοιπόν του δείγματος, όπου τα διάφορα ιόντα διαγράφουν διαφορετικές τροχιές ανάλογα με το πηλίκο m/z, παράγεται μεταβάλλοντας την ηλεκτρική τάση μεταξύ 4000 και 400 Volts. Για να επιτευχθεί μεγάλης ακρίβειας διαχωριστική ικανότητα στον φασματογράφο μαζών, τα ιόντα κινούνται μέσα στο σωλήνα του φασματομέτρου κάτω από υψηλό κενό, 10-7 mm Hg.

Η διαχωριστική ικανότητα φασματογράφοy μαζών μετριέται από το ύψος της “κοιλάδας” μεταξύ δύο κορυφών ίσης έντασης. Συνήθως η διαχωριστική ικανότητα θεωρείται ικανοποιητική όταν το ύψος της κοιλάδας είναι μικρότερο του 10% των κορυφών. Η διαχωριστική ικανότητα ενός φασματογράφου μαζών εξαρτάται από τρεις παράγοντες: (α) την ακτίνα που διαγράφουν οι τροχιές των ιόντων, (β) το εύρος των σχισμών στους επιταχυντές και το συλλέκτη και (γ) η ομοιομορφία της κινητικής ενέργειας των ιόντων με το ίδιο m/e*, καθώς εισέρχονται στο χώρο του διαχωριστή. .............................................................................................................. ∗Σε παλαιότερη βιβλιογραφία οι μονάδες για τα ιόντα ήταν m/e. Σε νεότερη βιβλιογραφία τα ιόντα αναφέρονται ως mass-to-charge ratio δηλαδή κλάσμα μάζας/φορτίο (m/z).

251

Μία από τις τελευταίες τεχνικές βελτιώσεις που εφαρμόσθηκαν σε φασματογράφο μαζών για καλύτερη διαχωριστική ικανότητα είναι η επιπλέον εισαγωγή ενός ηλεκτροστατικού πεδίου στη μονάδα του αναλυτή, που επιτρέπει αρχική εστίαση των ιόντων με την αυτή κινητική ενέργεια μέσα από μια σχισμή και μετά επιτάχυνση από το μαγνητικό πεδίο προς το συλλέκτη. Οι φασματογράφοι αυτοί καλούνται διπλής εστίασης (double-focusing instruments).

Υπάρχουν επίσης και διάφορες παραλλαγές του φασματογράφου μαζών που παρουσιάζουν ειδικευμένη διαχωριστική ικανότητα. Ένα τέτοιο όργανο είναι το φασματόμετρο χρόνου – πτήσης (time-of-flight) όπου ο ιονισμός πραγματοποιείται κατά μικρά χρονικά διαστήματα (μs), ώστε τα παραγόμενα ιόντα από τη θραυσματοποίηση της ένωσης καταγράφονται με βάση το χρόνο που χρειάζεται να διανύσουν σωλήνα ορισμένου μήκους (lm), υπό την επίδραση κενού και να καταλήξουν στον ανιχνευτή. Τα όργανα αυτά χρησιμοποιούνται για τη μελέτη ενώσεων που παράγουν ασταθή θραύσματα, αν και η διαχωριστική τους ικανότητα είναι αρκετά μειωμένη.

Σχήμα 12.4. Φασματογράφος Μαζών. Τύπος MS VG 70 SE. Διπλής εστίασης, υψηλής διακριτικότητας MS με γεωμετρία ΒΕ. (Ανάλυση μαζών μέχρι 5000 Da).

Μια άλλη μέθοδος φασματομετρίας μαζών είναι η φασματομετρία μαζών-κυκλοτρονιακού συντονισμού ιόντων (ICR-MS, Ion-cyclotron resonance Mass Spectrometry) που αποτελεί συνδυασμό ΦΜ και NMR. Η τεχνική αυτή έχει μεγάλη διαχωριστική ικανότητα και εφαρμόζεται για τη μελέτη αντιδράσεων που γίνονται κατά τη διάρκεια του ιονισμού του δείγματος, πράγμα που δεν μπορεί να μελετηθεί με τα κοινά φασματόμετρα μαζών.

252

Σχήμα 12.5. Φασματογράφος Μαζών. Duals cell Fourier Transform Ion Resonance mass Spectrometer (FT/ICR-MS) με μαγνήτη 3Τ (Tesla). [Matrix assisted laser desorption ionization (MALDI)]. FINNIGAN FT/MS 2001.

Τέλος, υπάρχει και η τεχνική του τετραπολικού φασματόμετρο μαζών (QMS, Quadrupole Mass Spectrometer), όπου τα ιόντα κινούνται μεταξύ τεσσάρων κυλινδρικών ηλεκτροδίων που τροφοδοτούνται διαγωνίως με εναλλασσόμενη τάση (υψηλής συχνότητας) και συνεχή τάση. Με τον τρόπο αυτό τα παραγόμενα ιόντα κινούνται στο κέντρο και κατά μήκος των 4 κυλίνδρων, μεταβάλλοντας τα δυναμικά του εναλλασσομένου και συνεχούς ρεύματος και ακολούθως φτάνουν στον ανιχνευτή. Η διαχωριστική ικανότητα των QMS είναι μικρότερη των κοινών ΦΜ, αλλά έχουν την ικανότητα καταγραφής ιόντων μέχρι της τάξης των 1000 m/z. Επίσης, τα νέα φασματόμετρα μαζών δίδυμης ή συζευμένης ή σε σειρά φασματομέτρων (tandem MS/MS spectrometry) έχουν επιφέρει σημαντική ακρίβεια των μετρήσεων δειγμάτων με χαμηλές συγκεντρώσεις (ρύπανση υπολείμματα φαρμάκων, κλπ)

Σχήμα 12.6. Σχηματική εικόνα λειτουργίας και διάταξης του Time-of-Flight Φασματογράφου Μαζών (TOF – MS). Επίδραση στο στερεό δείγμα με ακτίνες λέιζερ. Ο ανακλαστής είναι μια σειρά δακτυλίων που λειτουργεί ως καθρέπτης ιόντων. Η πορεία των ιόντων εκτίθεται σε παλμογράφο σε συνάρτηση με το χρόνο.

253

Σχήμα 12.7. Παράδειγμα φάσματος μαζών για το Φουλλερένιο C60 (fullerene C60) με τη μέθοδο TOF-MS).

Σχήμα 12.8. Φασματογράφος Μαζών: Bruker BIOTOF II, Reflectron ESI-TOF instrument. [20000 resolving power. ESI & APCI capabilities].

Σχήμα 12.9. Φασματογράφος Μαζών FINNIGAN MAT 95 MS διπλής εστίασης και υψηλής διακριτικότητας [double-focusing, high resolution MS].

254

12.2. Καταγραφή και παρουσίαση του φάσματος μαζών Η καταγραφή και παρουσίαση του φάσματος μαζών είναι το τελικό στάδιο της τεχνικής. Οι βελτιώσεις των τελευταίων χρόνων και η εισαγωγή ηλεκτρονικού υπολογιστή στην παρουσίαση των αποτελεσμάτων έχει κάνει την τεχνική του ΦΜ μια από τις σημαντικότερες για την πιστοποίησης δομής οργανικών ενώσεων. Ωστόσο υπάρχουν δύο βασικές δυσκολίες στην καταγραφή του φάσματος: (α) ο καταγραφέας πρέπει να αντιδρά ταχύτατα στην εμφάνιση των διαφόρων ιόντων του δείγματος (μια ένωση με ΜΒ 350 δίνει τουλάχιστον 300 κορυφές που πρέπει να σαρωθούν σε λιγότερο από 0,5 s), (β) η ποικιλία των εντάσεων των φασματικών γραμμών που πρέπει να καταγραφούν είναι αρκετά μεγάλη (μεταξύ 1 και 1000), αν και οι ασθενείς γραμμές δεν παρουσιάζουν μεγάλο ενδιαφέρον στην ερμηνεία του φάσματος. Τα προβλήματα αυτά είχαν ως αποτέλεσμα τη χρησιμοποίηση παλμογράφων για την καταγραφή των φασμάτων μαζών. Ο καταγραφέας αποτελείται από μια σειρά γαλβανόμετρα–καθρέπτες με διαφορετική ευαισθησία που εκτρέπονται από το ενισχυμένο ρεύμα του συλλέκτη, καθώς δέχεται τα διάφορα φορτισμένα ιόντα. Οι καθρέπτες αντανακλούν ακτίνα υπεριώδους ακτινοβολίας σε μια κινούμενη ταινία φωτογραφικού χαρτιού που αποτυπώνει το φάσμα. Ο χρόνος ανταπόκρισης ενός τέτοιου συστήματος είναι αρκετά ταχύς. Σήμερα όμως τα ΦΜ είναι εφοδιασμένα με ηλεκτρονικό υπολογιστή που είναι ενσωματωμένος με το μηχάνημα και η καταγραφή γίνεται πλέον ηλεκτρονικά. Ένας τρόπος λοιπόν είναι η καταγραφή με γαλβανόμετρα, που επιτρέπουν πιστοποίηση μικρών αλλά σημαντικών κορυφών του φάσματος του δείγματος, ενώ στην πράξη, λόγω της δυσκολίας που υπάρχει στην κατανόηση του φάσματος του σχήματος 12.5, χρησιμοποιείται η καταγραφή σε κάθετες ευθείες γραμμές διαφορετικού ύψους (το ύψος είναι ανάλογο με τη σχετική αφθονία του ιόντος που αντιπροσωπεύει) και σε αποστάσεις σύμφωνα με το μοριακό βάρος/φορτίο του ιόντος. Η καταγραφή αυτή καλείται bar graph (ραβδογράφημα). Στην κορυφή κάθε γραμμής τυπώνεται (από τον ηλεκτρονικό υπολογιστή) η ακριβής θέση της στην κλίμακα m/z εκτός από τις πολύ μικρές (Σχήμα 12.10).

Σχήμα 12.10. Καταγραφή φάσματος ΦΜ ως bar graph της ένωσης Α (γραφική παράσταση ραβδογράφημα).

255

Το πιο άφθονο ιόν, που χαρακτηρίζεται ως βασική γραμμή του φάσματος, έχει αυτόματα σχετική αφθονία 100% και οι άλλες γραμμές λαμβάνουν ανάλογες τιμές που φαίνεται από το ύψος τους. Οι πιο πολλές από τις φασματικές γραμμές έχουν ικανοποιητικό ύψος ώστε να μπορούν να διακριθούν και με το μάτι, άλλες όμως είναι πολύ μικρές και για αυτό καταγράφονται με τη βοήθεια του ηλεκτρονικού υπολογιστή.

12.3. Επεξεργασία Δείγματος και Τεχνική Φασμάτων Μαζών. Η ποσότητα δείγματος για ένα φάσμα μαζών πρέπει να είναι τουλάχιστον ένα μmole (για τη δημιουργία πίεσης τουλάχιστον 10-2 mm Hg) για έναν όγκο 3 λίτρων στους 150° C, δηλαδή περίπου 0,1 έως 0,2 mg για τις περισσότερες οργανικές ενώσεις. Οι θερμοκρασίες που χρησιμοποιούνται για την εξαέρωση του δείγματος στον ΦΜ βρίσκονται μεταξύ 150-250° C, ανάλογα με το σημείο ζέσης της ουσίας. Η καλύτερη θερμοκρασία στην πράξη είναι κάτω από 200° C, γιατί παράγεται υψηλή πίεση του ατμού, ακόμη και από οργανικές ενώσεις με μεγάλο μοριακό βάρος. Όσο πιο χαμηλή είναι η πίεση του ατμού τόσο πιο δύσκολη η εκκένωση του δείγματος από το θάλαμο ιονισμού, με αποτέλεσμα τη μέτρια ποσοτική ανάλυση του δείγματος. Το δείγμα (ανόργανες και οργανικές ενώσεις) εισάγεται στον φασματογράφο με διάφορες τεχνικές, ανάλογα με τη φυσική κατάσταση του δείγματος, που καλούνται συστήματα έγχυσης (injection systems). Τα αέρια εισάγονται σε σφραγισμένες αμπούλες που με ειδικούς δειγματοληπτικούς συνδέσμους προσαρμόζονται στο στόμιο εισαγωγής φασματογράφου. Οι υγρές ενώσεις εισάγονται με ειδικές υποδερμικές σύριγγες, που διαπερνούν ένα πώμα ελαστικού–πυριτίου. Για τις στερεές ενώσεις υπάρχουν διάφορες τεχνικές, όπως τήξη και εισαγωγή ως υγρό, πυκνά διαλύματα σε διαλύτες μικρού μοριακού βάρους (π.χ. αιθανόλης) κ.λπ. Ο συνδυασμός αέριας χρωματογραφίας (GC) και φασματογράφου μαζών (MS) έλυσε αρκετά προβλήματα της τεχνικής εισαγωγής του δείγματος σε θάλαμο ιονισμού. Για δείγματα που μπορούν να αναλυθούν και να διαχωριστούν με την αέρια χρωματογραφία και μετά να πιστοποιηθούν με τον φασματογράφο, υπάρχει ένας ιδανικός συνδυασμός (GC-MS). Ο αποκλεισμός παραπροϊόντων και μικρών προσμίξεων από το δείγμα με την αέρια χρωματογραφία βελτιώνει σημαντικά τα φάσματα μαζών. Η καθαρότητα των δειγμάτων δεν παίζει τόσο ρόλο στα φάσματα των μαζών (αντίθετα από ότι θα αναμένονταν), αλλά εξαρτάται από το δείγμα και τις προσμίξεις του, καθώς και την περιοχή του φάσματος που θεωρείται σημαντική για την πιστοποίηση της δομής του. Εάν η ερμηνεία του φάσματος γίνεται αποκλειστικά για μεγάλου μοριακού βάρους θραύσματα, τότε οι προσμίξεις μικρού ΜΒ δεν επηρεάζουν σημαντικά το φάσμα. Το ίδιο και με το διαλύτη που χρησιμοποιείται για τις στερεές ενώσεις. Επίσης, εάν οι προσμίξεις είναι ουσίες μεγάλου ΜΒ και υψηλού σημείου ζέσης, τότε δεν εμφανίζονται στο φάσμα (αν και τέτοιες ενώσεις τείνουν να καταστρέφουν το εσωτερικό του μηχανήματος).

256

Στην αντίθετη περίπτωση, όπου το φάσμα ερμηνεύεται από τις μικρής μάζας φασματικές γραμμές, για τα θραύσματα που παράγονται κατά τον ιονισμό έχουν χαμηλή σταθερότητα, τότε οι προσμίξεις παρεμβάλλονται στο φάσμα και δυσκολεύουν την ερμηνεία του.

12.4. Προσδιορισμός Μοριακού Βάρους και Μοριακού Τύπου με Φασματογράφο Μαζών. Με τον φασματογράφο μαζών μπορούν να προσδιορισθούν το ΜΒ μιας ένωσης χρησιμοποιώντας λιγότερο από ένα mg. Συνήθως με το ΜΒ μπορεί να προσδιορισθεί ο στοιχειώδης μοριακός τύπος με στοιχειακή ανάλυση και συνεπώς τον εμπειρικό τύπο της χημικής ένωσης. Το μοριακό ιόν τύπου M σχηματίζεται με την απώλεια ενός ηλεκτρονίου από το μόριο του δείγματος κατά τον βομβαρδισμό του με ηλεκτρόνια M + e M 2e+ . Εάν η φασματική γραμμή του μοριακού ιόντος προσδιοριστεί με ακρίβεια στο φάσμα, τότε μπορούμε να υπολογίσουμε το ΜΒ της ένωσης. Ωστόσο, αυτό δεν είναι πάντοτε δυνατό, γιατί μόνο το 80-90% των οργανικών ενώσεων δίνουν χαρακτηριστική γραμμή του μοριακού ιόντος σε φάσμα μαζών. Για τον ακριβή προσδιορισμό του M απαιτείται συστηματική επαλήθευση και πολύ καθαρό δείγμα. Η σταθερότητα του μοριακού ιόντος και η ένταση της φασματικής γραμμής (% σχετική αφθονία) εξαρτάται από τη δομή της ένωσης. Τα π-ηλεκτρονιακά συστήματα (τροχιακά) στο μόριο τείνουν να σταθεροποιήσουν το μοριακό ιόν. Έτσι οι κυκλικές ενώσεις με συζυγιακούς διπλούς δεσμούς (και διάφορες ομάδες στο δακτύλιο με διπλούς δεσμούς) παρουσιάζουν σταθερό μοριακό ιόν. Η σειρά με την οποία οι διάφορες ομάδες οργανικών ενώσεων παρουσιάζουν σταθερότητα μοριακού ιόντος και φθείνουσα % σχετική αφθονία είναι: αρωματικές ενώσεις, ετεροκυκλικές ενώσεις, κυκλοαλκάνια, μερκαπτάνες, σουλφίδια, συζυγή διένια, αλδεΰδες, κετόνες, αλκένια, καρβοξυλικά οξέα, αμίδια, αλκυλαγονίδια, νιτρίλια, αλκοόλες, ακετάλες. Οι γενικοί κανόνες για την εμφάνιση και ένταση του μοριακού ιόντος μπορούν να συνοψιστούν στα παρακάτω. Η εμφάνιση φασματικών γραμμών μικρής έντασης από (υποτιθέμενη) αρωματική ένωση είναι συνήθως ύποπτη ως πρόσμιξη. Η έντονη φασματική γραμμή για αλκοόλες μάλλον οφείλεται σε διάσπαση (π.χ. αφαίρεση νερού, Μ-18). Οι φασματικές γραμμές των μοριακών ιόντων έχουν πάντοτε άρτιες τιμές (για το κλάσμα m/z), εκτός και αν το οργανικό μόριο περιέχει περιττό αριθμό ατόμων αζώτου, κανόνας που ισχύει για όλες τις οργανικές ενώσεις με στοιχεία C, H, N, P, S, O, Se και αλογόνα (δηλ. τα κοινά στοιχεία). Επίσης χαμηλές πιέσεις στην πηγή ιονισμού επιτρέπουν τη σύγκρουση μορίων και ιόντων με αποτέλεσμα να λαμβάνονται υδρογόνα από το μοριακό ιόν, αν και είναι σπάνια περίπτωση. Στην περίπτωση όμως αυτή εμφανίζεται φασματική γραμμή μοριακού ιόντος με τιμή m/z Μ+1. Όταν υπάρχει υποψία για μια τέτοια διεργασία, επιβάλλεται αλλαγή της πίεσης στην πηγή

257

ιονισμού. Ένας άλλος τρόπος για την πιστοποίηση του M+ είναι η ανεύρεση χαρακτηριστικών γραμμών για ορισμένα τυποποιημένα θραύσματα οργανικών ενώσεων. Για παράδειγμα, ένωση με αλκύλια, γενικά, παρουσιάζει θραύσματα-ιόντα με m/z = Μ–15 που οφείλεται στην απώλεια μεθυλίου (―CH3, ΜΒ = 15). Ό χημικός ιονισμός (chemical ionization) είναι η μέθοδος όπου το δείγμα αναμιγνύεται με ένα αέριο (μεθάνιο ή ισοβουτάνιο) που βρίσκεται σε υψηλότερη πίεση (δείγμα ~10-4 Torr, αέριο~1 Torr), και το μίγμα βομβαρδίζεται με ηλεκτρόνια. Με το βομβαρδισμό ιονίζεται το αέριο (το CH4 για παράδειγμα δίνει τα ιόντα CH4 και CH3 ). Στην υψηλή πίεση του αερίου συμβαίνουν διάφορες συγκρούσεις ιόντων και μορίων που οδηγούν στην παραγωγή δευτερευόντων ιόντων όπως:

+ +CH4 CH5CH4 CH3 και

++CH3 CH4 C2H5 H2 με μικρή περίσσεια εσωτερικής ενέργειας. Τα δευτερεύοντα αυτά ιόντα συγκρούονται με τα μόρια του δείγματος παράγοντας ιόντα. Μια δεύτερη μέθοδος ιονισμού καλείται ιονισμός πεδίου και εκρόφησης (field ionization & field desorption), όπου ο ιονισμός λαμβάνει μέρος σε πηγή που αποτελείται από μια αιχμηρή άνοδο και μια κάθοδο σε σχήμα σχισμής. Μεταξύ του χώρου ανόδου–καθόδου εφαρμόζεται διαφορά δυναμικού 10 KV που έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός ισχυρού ηλεκτρικού πεδίου κοντά στην άνοδο. Τα μόρια του δείγματος, σε αέρια κατάσταση, εισερχόμενα στο πεδίο αυτό ιονίζονται με την απώλεια ηλεκτρονίων και έλκονται προς την άνοδο. Τα μοριακά ιόντα έχουν πολύ μικρή περίσσεια εσωτερικής ενέργειας. Η μέθοδος αυτή είναι κατάλληλη για σάκχαρα, φυσικά προϊόντα και άλλες σύνθετες οργανικές ενώσεις. Η μέθοδος ιονισμού με ηλεκτροψεκασμό (Electrospray Ionization, ESI) χρησιμοποιείται συχνά σε συγχρονα φασματόμετρα LC-MS/MS. Στην βελόνα ιονισμού εφαρμόζεται υψηλό δυναμικό, 3-4 kV, με αποτέλεσμα να σχηματίζονται σταγονίδια με ηλεκτρικά φορτία στην επιφάνειά τους. Η πυκνότητα του φορτίου αυξάνεται σε κρίσιμο σημείο και οι σταγόνες διαιρούνται σε μικρότερες μέχρι να παραχθούν μικροσκοπικά σταγονίδια. Λόγω απωθητικών δυνάμεων εισέρχονται στο ΦΜ με τη βοήθεια φακών εστίασης και αναλύονται.Χρησιμοποιείται για την ανάλυση πολικών μορίων.

12.5. Διεργασίες Θραυσματοποίησης των Μορίων στον Φασματογράφο Μαζών Με το βομβαρδισμό των χημικών μορίων με ηλεκτρόνια στον ΦΜ προκαλείται ιονισμός των μορίων. Όταν η ενέργεια της ηλεκτρονικής δέσμης αυξηθεί, από 10-15 eV στην αρχή σε 50–70 eV, τότε τα μοριακά ιόντα αποκτούν υψηλό βαθμό υπερδιέγερσης που έχει ως αποτέλεσμα την κατάτμηση τους σε μικρότερα ιόντα. Η διεργασία κατάτμησης ή θραυσματοποίησης δεν είναι τυχαία, αλλά οδηγεί σε θραύσματα του μορίου,

258

ανάλογα με τους δεσμούς, που είναι αρκετά σταθερά. Τα θραύσματα εκείνα που βρίσκονται σε μεγάλη σχετική αφθονία έχουν άμεση σχέση με τη μοριακή δομή του δείγματος. Όλη σχεδόν η διεργασία θραύσης είναι ενδομοριακή, λόγω του ότι η χαμηλή συγκέντρωση και πίεση του δείγματος στο χώρο ιονισμού περιορίζει ουσιαστικά τις αντιδράσεις μεταξύ των μορίων. Τα διάφορα είδη ιόντων που προκύπτουν από τον ιονισμό σε φασματογράφο μαζών είναι:

Μετασταθή ιόντα. Η κατάτμηση του αρχικού ιόντος, που προκύπτει από τη σύγκρουση με τη δέσμη των ηλεκτρονίων, δίνει ένα καινούργιο, θυγατρικό ιόν και ένα ουδέτερο μόριο ή μία ρίζα:

+m1 m2 ουδέτερο μόριο

π.χ. +R C R C

Συνήθως οι φασματικές γραμμές αντιστοιχούν στο αρχικό m1 και τα θυγατρικά m2 ιόντα, αυτό όμως δεν είναι απόδειξη ότι ένα m2+ έχει σχηματισθεί από το m1+ με μια μόνο διάσπαση. Εάν το m1+ επιταχυνθεί πριν τη διάσπαση του, τότε καταγράφεται στο φάσμα ως m1+, ενώ εάν διασπασθεί στην πηγή ιονισμού σε m2+, τότε καταγράφεται μόνο το m2+. Στην ενδιάμεση περίπτωση, όπου το m1+ διασπάται σε m2+ ενώ επιταχύνεται, τότε το θυγατρικό m2+ δεν καταγράφεται ως m1 ή ως m2, αλλά ως m* με μια ευρεία φασματική ταινία λόγω της μικρής διαχωριστικής ικανότητας μεταξύ των δύο. Το ιόν αυτό, m*, καλείται μετασταθές ιόν (metastable ion). Ιόντα με περιττό ή άρτιο αριθμό ηλεκτρονίων. Για την πλειοψηφία των οργανικών ενώσεων τα μοριακά τους ιόντα είναι ρίζες ή ιόντα με περιττό αριθμό ηλεκτρονίων. Το σύμβολο •M χρησιμεύει για να υποδείξει τη ρίζα, έχοντας υπόψη ότι έχει απομακρυνθεί ένα ηλεκτρόνιο και όχι ότι προστέθηκε, όπως τείνει να νομισθεί με το συμβολικό τρόπο γραφής. Απώλεια ενός ουδέτερου μορίου από το μοριακό ιόν έχει ως αποτέλεσμα το σχηματισμό ενός τμηματικού ιόντος με περιττό αριθμό ηλεκτρονίων. Όλα τα ιόντα με περιττό αριθμό, περιλαμβανομένου και του μοριακού ιόντος, έχουν τιμές με άρτιο αριθμό m/z, εκτός και αν έχουν περιττό αριθμό ατόμων αζώτου στο μόριο τους.

Για παράδειγμα: C7H6O2 C7H5O + HO

m/z 122 m/z 105

C6H7N C6H6N + H

m/z 93 m/z 92 Συνήθως, ιόντα με περιττό αριθμό ηλεκτρονίων είναι λιγότερα από τα ιόντα με άρτιο αριθμό στα φάσματα μαζών, αλλά όπου εμφανίζονται είναι συχνά μεγάλης δομικής σημασίας.

259

12.6. Παράγοντες που Επηρεάζουν την Αφθονία των Ιόντων-θραυσμάτων κατά τη Θραυσματοποίηση Η σπουδαιότητα μιας διεργασίας θραύσης ή κατάτμησης στην ΦΜ αφορά κυρίως την αφθονία των ιόντων που παράγονται κατά τη διεργασία αυτή. Εάν το φάσμα μαζών είναι υψηλής διακριτικής ικανότητας τότε μια ιδιαίτερη φασματική γραμμή, άγνωστη στον ερευνητή, μπορεί να αντιστοιχεί σε δύο ή περισσότερα ιόντα-θραύσματα με διαφορετική στοιχειακή αναλογία, π.χ. m/z 43 μπορεί να είναι C3H7+ ή C2H3O+. Επιπλέον, η αφθονία ενός ιδιαίτερου ιόντος εξαρτάται από τη σχετική ταχύτητα απομάκρυνσης του, καθώς και από τις ταχύτητες άλλων διεργασιών (και υπάρχουν αρκετές) που συμβάλλουν στο σχηματισμό του.

Σχήμα 12.11. Φασματογραφία Μάζας των ενώσεων ο- και m-διμεθοξυφαινολών. Η θραυσματοποίηση των ομάδων μετά το μοριακό ιόν (138 Μ ) είναι διαφορετική. Ο συμβολισμός που χρησιμοποιείται στην ΦΜ για τη διεργασία θραύσης είναι συνήθως το μικρό κυρτό βέλος και αντιπροσωπεύει την ετερολυτική διάσπαση (heterolytic cleavage) ενός δεσμού:

X Y X + Y

Η ομολυτική διάσπαση (hemolytic cleavage) ενός δεσμού παρουσιάζεται με το σύμβολο του μικρού κυρτού βέλους με μισή κεφαλή:

X Y X + YX Y

Η απλή σχάση (simple fission) είναι ένας όρος που αναφέρεται: (α) στην ομολυτική διάσπαση ενός δεσμού ιόντος με περιττό αριθμό ηλεκτρονίων, που παράγει ένα ιόν-θραύσμα με άρτιο αριθμό ηλεκτρονίων συν μία ρίζα:

A B A + B

260

(β) σε μια ετερολυτική διάσπαση ενός δεσμού ιόντος με άρτιο αριθμό ηλεκτρονίων που παράγει ένα ιόν-θραύσμα με άρτιο αριθμό ηλεκτρονίων συν ένα ουδέτερο μόριο:

A B A + B

Γενικά, οι απλές διασπάσεις παράγουν ιόντα με περιττό αριθμό ηλεκτρονίων (διάσπαση δεσμού) από το αρχικό ιόν. Οι σχετικές ταχύτητες των διεργασιών αυτών εξαρτώνται από τις ενέργειες ενεργοποίησης που απαιτούνται για το σχηματισμό των μεταβατικών καταστάσεων, που οδηγούν τελικά στα προϊόντα. Εάν οι δομές των ενώσεων κατά τις μεταβατικές καταστάσεις ευνοούν τις δομές των προϊόντων, αντί των αρχικών ιόντων , τότε η σταθερότητα των προϊόντων συνδέεται με την αφθονία των ιόντων θραυσμάτων. Παραδείγματα μεταβατικών καταστάσεων είναι γνωστά, όπως για τη διακλάδωση αλυσίδας άνθρακα και σχηματισμό καρβανιόντων ή καρβοκατιόντων (κατιόντα οργανικών ενώσεων με επίπεδη διάταξη, φορτισμένα λόγω αφαίρεσης μιας ομάδας και των ηλεκτρονίων του δεσμού που την ένωνε με τον άνθρακα) και στα φαινόμενα συντονισμού (συζυγιακά ή μεσομέρειας), ιδιαίτερα με το σχηματισμό καρβοκατιόντων δίπλα σε ετεροάτομο με ένα ελεύθερο ζεύγος ηλεκτρονίων (π.χ. άζωτο):

C N C N

Οι διεργασίες αποβολής και ανακατάταξης-μετάθεσης (elimination & rearrangement) είναι άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν την αφθονία των ιόντων-θραυσμάτων κατά την πορεία θραυσματοποίησης. Στις διεργασίες αυτές δύο ή περισσότεροι δεσμοί του μορίου διασπώνται και μερικά άτομα ή ομάδες μεταφέρονται από ένα τμήμα του μορίου σε ένα άλλο. Ο τύπος αυτός μεταφοράς συνήθως αφορά ένα άτομο υδρογόνου. Τις περισσότερες φορές και οι δύο διεργασίες περιλαμβάνουν ένα ιόν-θραύσμα με περιττό αριθμό ηλεκτρονίων και ένα ουδέτερο μόριο. Περιπτώσεις ιόντων με άρτιο αριθμό ηλεκτρονίων, που υπόκεινται σε ανακατάταξη και παράγουν ιόντα-θραύσματα με άρτιο αριθμό ηλεκτρονίων και ένα ουδέτερο μόριο, είναι σπάνιες. Κατά τη διεργασία αποβολής, το υδρογόνο μεταφέρεται και καθίσταται τμήμα του απομακρυνόμενου ουδέτερου μορίου, ενώ στη διεργασία ανακατάταξης το υδρογόνο μεταφέρεται στο ιόν-θραύσμα που βρίσκεται με τη μορφή ρίζας:

A B A + B

H

H

A BH A +

H

BH

αποβολή ανακατάταξη

261

Η σταθερότητα των προϊόντων κατά τις διεργασίες αυτές καθορίζει και τη σπουδαιότητα κάθε μιας από αυτές. Επίσης η σταθερότητα των ουδέτερων μορίων που παράγονται κατά τις διεργασίες αυτές είναι εξαιρετικής σημασίας. Τα τμήματα του μορίου που συνήθως αποβάλλονται από το αρχικό ιόν είναι υπό τη μορφή των απλών ενώσεων H2O, CH3COOH, HCN, HX (όπου Χ αλογόνο) και H2S, ενώ κατά την ανακατάταξη του ιόντος παράγονται ενώσεις όπως RCH=CH2, RC≡CH, RCH=C=O και CO2. Επίσης πρέπει να λάβουμε υπόψη ότι οι δύο αυτές διεργασίες συμβαίνουν συνήθως μέσω μιας κυκλικής ενδιάμεσης ένωσης, με αποτέλεσμα να συμβαίνει συγχρόνως διάσπαση του δεσμού και αμέσως σχηματισμός νέου.

12.7. Διεργασία Θραυσμαυτοποίησης για τις Διάφορες Ομάδες Ενώσεων της Οργανικής Χημείας Παρακάτω θα εξετασθούν διάφορες ομάδες ενώσεων της Οργανικής Χημείας και τις κυριώτερες διεργασίες θραυσματοποίησης του αρχικού ιόντος στα φάσματα μαζών.

12.7.1. Κορεσμένοι άκυκλοι υδρογονάνθρακες (αλκάνια) Το φάσμα μαζών αλκανίων αποτελείται συνήθως από ιόντα με άρτιο αριθμό ηλεκτρονίων. Έτσι για παράδειγμα, το μοριακό ιόν διασπάται με μια απλή σχάση οδηγώντας σε ένα ιόν με άρτιο αριθμό ηλεκτρονίων και μία ρίζα:

+C ( C )n C C C C ( C )n C C CC C

Το θυγατρικό ιόν που προκύπτει υπόκειται ξανά σε απλή σχάση δίνοντας τον ίδιο τύπο ιόντων:

+C ( C )n C C C C ( C )n C C C

ουδέτερο μόριο

ολεφίνης Το αποτέλεσμα είναι μια ομόλογη σειρά ιόντων με τιμές m/z 12 +nn HC .

Οι φασματικές γραμμές των ιόντων ακολουθούνται από γραμμές μικρότερης έντασης με τιμές m/z =1, 2 ή 3 μονάδες μικρότερες λόγω απώλειας υδρογόνων. Η παρουσία διακλαδώσεων στην αλυσίδα των ατόμων άνθρακα μπορεί να πιστοποιηθεί από τη μεγαλύτερη σταθερότητα των δευτεροταγών και τριτοταγών καρβοκατιόντων που προκύπτουν από απλή σχάση στο σημείο της διακλάδωσης.

262

Σχήμα 12.12. Φάσματα μαζών του κ-εξανίου και του 2,3-διμεθυλο-βουτανίου. Στο φάσμα μαζών του κανονικού εξανίου η σειρά ιόντων-θραυσμάτων με άρτιο αριθμό ηλεκτρονίων +

+12nn HC είναι με τιμές m/z 29, 43, 57 και 71 και δύο χαρακτηριστικές γραμμές της σειράς +

−12nn HC με m/z 27 και 41. Στην περίπτωση του 2,3-διμεθυλο-βουτανίου τα ιόντα-θραύσματα της σειράς +

+12nn HC εμφανίζονται με τις φασματικές γραμμές 27, 43 και 71, ενώ η φασματική γραμμή 57 μόλις διακρίνεται. Ακόμη και η κορυφή 29 είναι μειωμένης έντασης σε σχέση με την αντίστοιχη του κ-εξανίου. Τα πειραματικά αποτελέσματα συμφωνούν με τη δομή της ένωσης, που είναι δύσκολο να διασπασθεί, παράγοντας +

94 HC (m/z 57) ή +52 HC (m/z 29). Η απλή σχάση

δίνει ισοποροπυλικό καρβοκατιόν (α, m/z 43), και μία ισοπροπυλική ρίζα

263

(β, m/z 43), που αντιπροσωπεύουν βασικές φασματικές γραμμές, δηλαδή 100% σχετική αφθονία.

(α) C CH3

H

CH3

C CH3

H

CH3

(β)

12.7.2. Αλκένια και αλκίνια Τα φάσματα μαζών των περισσότερων αλκενίων παρουσιάζουν ιδιαίτερες φασματικές γραμμές μοριακών ιόντων. Συνήθως ο βομβαρδισμός με ηλεκτρόνια απομακρύνει ένα από τα ηλεκτρόνια του π-δεσμού, αφήνοντας τον υπόλοιπο σκελετό των ατόμων άνθρακα αναλλοίωτο. Η διεργασία διάσπασης δημιουργεί ιόντα με συντακτικούς τύπους +

+12nn HC και +−12nn HC .

Τα cis- και trans- ισομερή παρουσιάζουν τα ίδια σχεδόν φάσματα μαζών. Ένα ενδιαφέρον ιόν-θραύσμα των αλκενίων είναι το αλλυλικό, με τιμή m/z 41:

R CH2 CH CH2 R + CH2 CH CH2 CH2 CH CH2

m/z 41 Επίσης τα φάσματα μαζών των κυκλοαλκενίων παρουσιάζουν ιδιαίτερες φασματικές γραμμές μοριακών ιόντων. Μετακίνηση δεσμών σε κυκλοαλκένια δεν παρουσιάζει διαφορά στα φάσματα, πράγμα που δυσκολεύει την εντόπιση διπλών δεσμών στη δομή του μορίου. Το κυκλοεξένιο παρουσιάζει ένα χαρακτηριστικό τύπο θραύσης που αντιπροσωπεύει το αντίθετο της αντίδρασης Diells-Alder.

+C

C

Σχήμα 12.13. Φάσμα μαζών του 1-βουτενίου.

264

Τα φάσματα μαζών των αλκινίων είναι παρόμοια με των αλκενίων. Οι φασματικές γραμμές των μοριακών ιόντων είναι συνήθως ισχυρές και η διεργασία θραύσης παρόμοια με αυτήν των αλκενίων. Παράδειγμα θραυσματοποίησης αλκινίου: π.χ. το προπίνιο.

R +C C CH2 HC CH CH2RH HC C CH2

m/z 39

Σχήμα 12.4. Φάσμα μαζών για το 1-πεντίνιο.

12.7.3. Αλδεΰδες και κετόνες. Η παρουσία χαρακτηριστικών (δραστικών) ομάδων στις οργανικές ενώσεις δημιουργεί μεγαλύτερη ποικιλία διαστάσεων, σε σχέση με αυτές που μελετήθηκαν παραπάνω, για κορεσμένους υδρογονάνθρακες. Στην περίπτωση των αλδεϋδών και κετονών, για να μελετηθεί η διεργασία θραυσματοποίησης των μορίων τους πρέπει να γίνει αποδεκτό ότι η απλοποιημένη μορφή του μοριακού τους ιόντος είναι:

(α)

C O

R1

R2

R1 + C OR21

2 R2 + C OR1

(β)

όπου το φορτίο είναι εντοπισμένο σε μια περιοχή του μορίου. Μια απλή σχάση του μορίου των αλδεϋδών και κετονών δίπλα στο καρβονύλιο έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία δύο κατιόντων (α, β) που σταθεροποιούνται με μεσομέρεια ή συντονισμό.

265

C O

R

R

R+C OR C OR

απλή διεργασία θραυσματοποίησης Η σταθερότητα της ρίζας R•( R1• ή R2•) είναι βασικός παράγοντας, που ρυθμίζει ποια από τις δύο διεργασίες ευνοείται. Συνήθως, όσο μεγαλύτερο το R τόσο πιο εύκολα αποβάλλεται. Στην περίπτωση των αλδεϋδών δεν ευνοείται η απώλεια ενός υδρογόνου, αλλά της ομάδας R με την εμφάνιση στα φάσματα μαζών μιας ισχυρής γραμμής με m/z 29, σύμφωνα με το σχήμα:

C O

R

H

R + C OH (m/e 29)

Οι κετόνες δίνουν δύο ιόντα-θραύσματα του γενικού τύπου +

+ COHC nn 12 (m/z 43, 57, 71, κλπ), αλλά δυστυχώς οι φασματικές αυτές γραμμές πέφτουν πάνω στις ίδιες τιμές m/z με τα ιόντα της σειράς

++12nn HC (π.χ. CH3CO+ και C3H7+ είναι ισοβαρή ιόντα με m/z 43).

Τα κατιόντα που προκύπτουν από την πρώτη σχάση δέχονται μια καινούργια σχάση με την αποβολή του σταθερού μορίου του μονοξειδίου του άνθρακα (CO). Η θραυσματοποίηση αυτή οδηγεί σε ιόντα με άρτιο αριθμό ηλεκτρονίων της σειράς +

+12nn HC :

R +C OR CO

Επίσης οι αλδεΰδες και οι κετόνες δέχονται ανακατατάξεις του μορίου τους. Μία από αυτές, η ανακατάταξη Mc Lafferty συμβαίνει εάν υπάρχει γ-υδρογόνο σε ένα από τα R1 ή R2 αλκύλια.

+C

H

C C C O

R

C C C C O

R

H

(γ-) (β-) (α-) (αλκένιο)

Στην ανακατάταξη αυτή το γ-υδρογόνο μεταφέρεται στο οξυγόνο του καρβονυλίου και απομακρύνεται από ένα αλκένιο. Η διεργασία οδηγεί σε ένα ιόν με περιττό αριθμό ηλεκτρονίων και με m/z 44 +nx14 (δηλ. 44, 58, 72, 86, κλπ). Οι αλδεΰδες χωρίς αλκύλιο (R―H) είναι οι μόνες καρβονυλικές ενώσεις που δίνουν φασματική γραμμή με τιμή m/z 44:

266

C C O

H

H

H

H m/z 44

Σχήμα 12.15. Φάσμα μαζών της βουτανάλης. Τα φάσματα μαζών της βουτανάλης και βουτανόνης (Σχήματα 12.15 και 12.16) είναι χαρακτηριστικά των αλδεϋδών και των κετονών.

Σχήμα 12.16. Φάσμα της βουτανόνης. Η γραμμή m/z 44 (βουτανάλη) είναι χαρακτηριστική και προκύπτει από την ανακατάταξη Mc Lafferty.

267

+ H2C C O

H

HCH2 CH2 CH2 C O

H

H

H2C CH2(m/z 44)

Οι άλλες φασματικές γραμμές έχουν τιμές m/z για ιόντα της σειράς

++12nn HC ή +

+ COHC nn 12 (m/z 29, 43, 57) και πολύ κοντά σε αυτές τις γραμμές άλλες με απώλεια υδρογόνων (m/z 27, 41). Η φασματική γραμμή 29 έχει αποδειχθεί ότι αντιστοιχεί στα ισοβαρή ιόντα C2H5+ και HCO+. Η βουτανόνη δεν έχει γ-υδρογόνο και για αυτό δεν υπάρχει αφθονία φασματικών γραμμών για ιόντα με περιττό αριθμό ηλεκτρονίων. Η βασική γραμμή 43 αντιπροσωπεύει το ιόν CH3CO+ μετά την απώλεια της αιθυλο- ρίζας (CH3CΗ2•). Η απώλεια μεθυλικής ρίζας (που δεν ευνοείται) δίνει το ιόν CH3CΗ2CO+ (m/z 57), αλλά με πολύ μικρή αφθονία. Πρέπει να σημειωθεί ότι και στα δύο φάσματα η φασματική γραμμή του μοριακού ιόντος (Μ+) έχει μεγάλη αφθονία.

12.7.4. Αρωματικές ενώσεις. Τα φάσματα μαζών των αρωματικών ενώσεων παρουσιάζουν σταθερό μοριακό ιόν, λόγω του συστήματος των αρωματικών π-ηλεκτρονίων, που συνήθως δίνει μια ισχυρή φασματική γραμμή. Η θραυσματοποίηση του αρωματικού δακτυλίου, στο βενζόλιο, απαιτεί αρκετή ενέργεια και για αυτό δεν εμφανίζεται με μεγάλη αφθονία όπως δείχνει και το φάσμα του βενζολίου.

Σχήμα 12.17. Φάσμα μαζών του βενζολίου.

268

Μια πολύ συνηθισμένη θραύση στις αρωματικές ενώσεις είναι στο σημείο που βρίσκονται ενωμένες διάφορες χαρακτηριστικές ομάδες, αλλά δεν οδηγεί σε αφθονία ιόντων γιατί το κατιόν του φαινυλίου δεν είναι αρκετά σταθερό (Χ, ΝΟ2, ΟR, αλογόνο, κλπ).

+ (m/z 51)

X

-XX

HC CHC4H3

Δεύτερη ενδιαφέρουσα απλή σχάση σε αρωματικές ενώσεις είναι σε αβ-δεσμό ως προς το βενζολικό πυρήνα. Επειδή αυτός ο τύπος θραυσματοποίησης παράγει ένα θετικό φορτίο δίπλα στο αρωματικό σύστημα των π-ηλεκτρονίων, το ιόν αυτό σταθεροποιείται με συντονισμό και είναι σταθερότερο του φαινυλίου. Οι φασματικές γραμμές των ιόντων αυτών βρίσκονται σε αφθονία στα φάσματα μαζών.

R

(m/z 91)

+

(m/z 65)

C CH

H2C R

R

Όταν το αλκύλιο που ενώνεται με το βενζολικό πυρήνα είναι προπύλιο ή μεγαλύτερου αριθμού ατόμων άνθρακα, τότε επικρατεί ένας τύπος ανακατάταξης Mc Lafferty. Για παράδειγμα το βουτυλοβενζόλιο με εμφάνιση φασματικής γραμμής με τιμή m/e 92.

(m/z 92)

+

H2C

CH2

CHH CH3

H

CH2

HH

CH2

CH

CH3

269

Σχήμα 12.18. Φάσμα μαζών προπυλοβενζολίου. Άλλα είδη ανακατάταξης σε αρωματικές ενώσεις έχουν ως αποτέλεσμα την αποβολή φορμαλδεΰδης (HCHO), μονοξειδίου του άνθρακα, νερού ή αλκοόλης (ROH).

(α) (β) (γ)

(m/z 78)

+

OCH2

HCH2O

O O

+ CO

CO

O

R

X H

CO

X

+ ROH

(R=H,CH3)

(X=O, NH, CH2)

270

12.7.5. Καρβοξυλικά οξέα, εστέρες και αμίδια. Για τα καρβοξυλικά (ή καρβονικά οξέα) παρουσιάζεται απλή σχάση του διπλού δεσμού, δίπλα στην καρβονυλική ομάδα του μοριακού ιόντος σε δύο κατευθύνσεις.

C O

R

X

R + C OX1

2 X + C OR

(X=OH, OR, NH2, NR2)

Η κατέυθυνση 1 ευνοείται, στην περίπτωση των οξέων και αμιδίων, με το σχηματισμό HO―C≡O+ (m/z 45) και Ν2Ν―C≡O+ (m/z 44), ενώ η κατέυθυνση 2 ευνοείται για τους εστέρες και τα τριτοταγή αμίδια.

C O

R

R'O

R'O C OR+

Οξέα με γ-υδρογόνα (3 άνθρακες μετά το καρβονύλιο) παρουσιάζουν την κατάταξη Mc Lafferty και παράγουν μια έντονη φασματική γραμμή για την τιμή m/z 60.

Σχήμα 12.19. Φάσμα μαζών του βουτυρικού οξέος.

12.7.6. Αλκοόλες, φαινόλες και μερκαπτάνες (θειόλες).

Η φασματική γραμμή για το μοριακό ιόν των πρωτοταγών και δευτεροταγών αλκοολών είναι συνήθως μικρής σχετικής αφθονίας. Η πιο σημαντική διεργασία θραυσματοποίησης του μοριακού ιόντος είναι η

271

απώλεια ενός αλκυλίου. Όσο μεγαλύτερος ο αριθμός ατόμων άνθρακα του αλκυλίου τόσο πιο εύκολα αποσπάται, λόγω μεγαλύτερης σταθερότητας.

C OH

R

+R C

R''

R'

OH

R

R

Έτσι στο φάσμα της 1-βουτανόλης η ισχυρή φασματική γραμμή με m/e 31 οφείλεται στην απώλεια μιας ομάδας ατόμων με τη μορφή ιόντος CH2=OH+.

Σχήμα 12.20. Φάσμα μαζών 1-βουτανόλης (ή βουταν-1-όλης). Μια άλλη απλή θραυσματοποίηση στις αλκοόλες είναι η απόσπαση νερού. Η σημασία της διεργασίας αυτής αυξάνεται όσο αυξάνει ο αριθμός των ατόμων άνθρακα. Η απόσπαση H2O από την 1-βουτανόλη δίνει την ισχυρή φασματική γραμμή m/z 56. Συνήθως, η απόσπαση νερού γίνεται είτε με αφυδάτωση από τις θερμές επιφάνειες του χώρου ιονισμού είτε, εάν έχει προλάβει να σχηματισθεί το μοριακό ιόν, με τον παρακάτω μηχανισμό, μέσω μιας κυκλικής ενδιάμεσης δομής:

+RHC

(CH2)n

CHR'

H OH

RHC

(CH2)n

CHR' H2O

Στην περίπτωση της 1-βουτανόλης, η απόσπαση νερού έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση της γραμμής 28 που είναι σχετικά ασθενής, ενώ σε άλλες περιπτώσεις (π.χ. 1-πεντανόλη) η αντίστοιχή γραμμή είναι πιο έντονη

272

και μάλιστα η φασματική γραμμή με την μεγαλύτερη αφθονία. Οι γραμμές αυτές συμβολίζονται ως Μ-18. Οι φαινόλες συνήθως χάνουν CO (ΜΒ=28) και εμφανίζουν ισχυρές φασματικές γραμμές σε m/z , Μ-28. Επίσης οι φαινόλες χάνουν τη ρίζα (ΗCO•) και παρουσιάζουν γραμμές σε Μ-29 ως προς το μοριακό ιόν. Οι φασματικές αυτές γραμμές φαίνονται στο φάσμα μαζών της 2-μεθυλοφαινόλης (ο-κρεζόλης) στο ακόλουθο σχήμα.

Σχήμα 12.21. Φάσμα μαζών της 2-μεθυλοφαινόλης. Οι θειόλες (R―SH) παρουσιάζουν ισχυρότερη φασματική γραμμή για το Μ+ από τις αλκοόλες. Οι δύο κατευθύνσεις της θραύσης της 2-βουτανοθειόλης είναι:

CH SH

C2H5+

H3C

CH3CH SH

C2H5 SH +

C2H5

CH3

m/z 61

m/z 75

1

2

Το τμηματικό ιόν που σχηματίζεται από την πορεία 2, υπόκειται σε ανακατάταξη και μετά απώλεια αιθυλενίου (CH2=CH2) δίνει το ιόν με m/z 47

HSCH −=+

2 .

CH2 CH SH

CH2 H

273

12.7.7. Αμίνες. Οι αμίνες μπορούν να πιστοποιηθούν εύκολα με φασματογραφία μαζών από τις τιμές των μοριακών ιόντων τους. Ενώσεις με περιττό αριθμό ατόμων αζώτου έχουν πάντοτε περιττού-αριθμού μοριακό βάρος. Ωστόσο, σε πολλές περιπτώσεις αλειφατικών (άκυκλων) αμινών η φασματική γραμμή του Μ+ είναι πολύ ασθενής. Η πιο συνηθισμένη θραυσματοποίηση είναι η β-θραύση:

+R

H

C

H

N

H

H

R C NH

H

H

H

Στις σχάσεις αυτές, όσο πιο μεγάλο το R• τόσο πιο εύκολη η απόσπαση. Έτσι για πρωτοταγείς αμίνες χωρίς διακλαδώσεις στον άνθρακα, δίπλα στο άζωτο, η πιο ισχυρή φασματική γραμμή είναι m/z 30. Η σχάση αυτή μπορεί να συμβεί σε δευτεροταγείς και τριτοταγείς αμίνες.

+R m/z 30RH2C NH2 H2C NH2

Σχήμα 12.22. Φάσμα μαζών της αιθυλαμίνης. Οι αρωματικές αμίνες παρουσιάζουν ισχυρή φασματική γραμμή για το μοριακό ιόν. Επίσης παρουσιάζουν μια δεύτερη γραμμή κατά μία μονάδα μικρότερη λόγω απώλειας ενός υδρογόνου από το Μ+. Η διεργασία θραύσης για την ανιλίνη είναι:

+

m/z 93

NH2 NH H

H H

+ HCN

H H

+ H

m/z 92 m/z 66 m/z 65

274

12.7.8. Αλογονωμένες οργανικές ενώσεις (αλκυλαλογονίδια, RX). Στα αλκυλαλογονίδια η φασματική γραμμή του Μ+ είναι πιο έντονη στα αλκυλοϊωδίδια και λιγότερο ισχυρή στα αλκυλοβρωμίδια, χλωρίδια και φθορίδια. Επίσης, όσο ο αριθμός των ατόμων άνθρακα στο αλκύλιο μεγαλώνει και οι διακλαδώσεις στον α-άνθρακα πληθαίνουν, τόσο μειώνεται η ένταση της φασματικής γραμμής του Μ+. Η πιο απλή σχάση και η πιο σημαντική στα αλκυλαλογονίδια, είναι η απώλεια ενός αλογόνου. Επίσης τα αλκυλαλογονίδια μπορούν να υποστούν και την απώλεια υδραλογόνου, ΗΧ, με την παρακάτω διεργασία:

RH2C

H2C +X RCH CH2 HX

Ένα άλλο χαρακτηριστικό των ενώσεων αυτών είναι η παρουσία δύο ασθενών φασματικών γραμμών για δύο μοριακά ιόντα (δύο για το καθένα), μόνο για RCl και RBr. Το φαινόμενο είναι αποτέλεσμα της ισοτοπικής σύνθεσης των ενώσεων που περιέχουν χλώριο (ΜΒ=35.37) και βρώμιο (ΜΒ=81.79).

Σχήμα 12.23. Φάσμα μαζών του 1-βρωμοεξανίου. Στις αρωματικές αλογονωμένες ενώσεις το Μ+ παρουσιάζεται συνήθως ως έντονη φασματική γραμμή. Η πιο σημαντική θραύση του μορίου αφορά το σχηματισμό ιόντος C6H5+ και απώλεια αλογόνου.

275

12.7.9. Αμινοξέα. Στην περίπτωση των αμινοξέων, όπως και με τα στεροειδή, τριγλυκερίδια και άλλα φυσικά προϊόντα, η εμφάνιση των μοριακών ιόντων είναι δύσκολο να πιστοποιηθεί στα φάσματα μαζών. Η βασική διεργασία θραύσης του μορίου των αμινοξέων είναι η απώλεια καρβοξυλίου με την παρακάτω σειρά:

m/z 45 m/z 45

CH NH2R CHC

O

O H

NH2

R + CO2H

Στην περίπτωση της λευκίνης η πορεία θραύσης του μορίου είναι:

m/z 87 m/z 86

H3CCH

H3CCH2 CH

CO2H

NH3

CO2HH3C

CHH3C

CH2HC

NH3

H3CCH

H3CCH2 C

HNH2

- H

Σχήμα 12.19. Φάσμα μαζών της λευκίνης.

12.8. Ερμηνεία Φασμάτων Μαζών. Παραδείγματα. Για την ερμηνεία φασμάτων (ΦΜ) απαιτείται συστηματική επεξεργασία των στοιχείων και προσεκτική εκτίμηση των μοριακών βαρών των θραυσμάτων (τμηματικών ιόντων) και ιδιαίτερα του αρχικού μοριακού

276

ιόντος Μ+ (λόγω σημαντικών παρανοήσεων που μπορεί να δημιουργηθούν κατά την “ανάγνωση” του φάσματος). Ο ερευνητής πρέπει να πάρει υπόψη του τη μέθοδο σύνθεσης της ένωσης, τις φυσικές σταθερές της και τις άλλες φασματοσκοπικές μεθόδους (IR, UV, NMR, κλπ) σε ότι αφορά τη δομή της. Η σειρά με την οποία αποτιμά ένα ΦΜ είναι: (α) Εκτιμάται το m/z για το Μ+. Πολλές φορές η φασματική γραμμή είναι πολύ ασθενής ή περιβάλλεται από άλλες (προσμίξεις κ.λπ). Εάν ο αριθμός m/z για το Μ+ είναι άρτιος, τότε υπάρχει άζωτο ή ο αριθμός των ατόμων αζώτου στο μόριο είναι άρτιος. Αντίθετα, με περιττό αριθμό του Μ+ η ένωση περιέχει περιττό αριθμό ατόμων αζώτου. (β) Γίνεται εκτίμηση των φασματικών γραμμών για την παρουσία διπλού δεσμού και αρωματικού δακτυλίου, συγκρίνοντας την ένταση της γραμμής για το Μ+ σε σχέση με το υπόλοιπο φάσμα. (γ) Καταγράφονται με τη σειρά οι κυριότερες φασματικές γραμμές (αυτό γίνεται από τον ηλεκτρονικό υπολογιστή του οργάνου) και σημειώνονται τα τμηματικά ιόντα με άρτιο και περιττό αριθμό m/z. Οι τιμές για ιόντα με περιττό αριθμό ηλεκτρονίων αντιπροσωπεύουν ανακατατάξεις ή απώλεια ιόντος και έχουν μεγάλη δομική σημασία. (δ) Καταγράφονται οι διαφορές των τιμών m/z μεταξύ Μ+ και των τμηματικών ιόντων με σκοπό τον προσδιορισμό ουδετέρων μορίων (π.χ. Η2Ο, HCN, HX, CO, CO2, κλπ). (ε) Προτείνονται δομές για τα πιο άφθονα ιόντα και συγκεντρώνονται τα διάφορα τμηματικά ιόντα σε συνδυασμούς που μπορεί να αφορούν πιθανές μοριακές δομές της ένωσης. (στ) Επιβεβαιώνουμε, εφ’ όσον είναι δυνατό, το φάσμα του δείγματος με ουσία της ίδιας ή παραπλήσιας. • Παράδειγμα1: Το φάσμα μαζών της ένωσης C5H12S (ΜΒ=104).

Σχήμα 12.20. Φάσμα μαζών της C5H12S. Το μοριακό ιόν Μ+ έχει τιμή m/z 104 και συνοδεύεται από δύο ισοτοπικές φασματικές γραμμές με τιμές 105 και 106, που είναι πολύ κοντά η μία στην άλλη (για την φυσική αφθονία ισοτόπων των στοιχείων και

277

παραδείγματα υπολογισμών βλ. στις επόμενες σελίδες). Η σχετική ένταση των φασματικών γραμμών (το ύψος τους) των ιόντων Μ, Μ+1, και Μ+2 είναι 10÷6, 24÷4, 5. Η σχετικά μεγάλη τιμή του M+2 δηλώνει την παρουσία ενός ατόμου θείου στο μόριο (το θείο S, έχει τρία ισότοπα μάζας: 32 με φυσική αφθονία 95.03%, 33 με φυσική αφθονία 0.75% και 34 με φυσική αφθονία 4.22%). Από τον άρτιο αριθμό του μοριακού βάρους προκύπτει ότι δεν υπάρχει άζωτο ή ο αριθμός των αζώτων πρέπει να είναι άρτιος. Η ένταση της γραμμής Μ+ είναι ένδειξη για την παρουσία τουλάχιστον 5 ατόμων άνθρακα. Ένας πιθανός μοριακός τύπος είναι C5H12S (υπάρχουν απλοί τρόποι υπολογισμού των αναλογιών των εντάσεων με βάση τη φυσική αφθονία των ισοτόπων των στοιχείων). Στο φάσμα μαζών υπάρχουν δύο ενδιαφέροντα τμηματικά ιόντα με περιττό αριθμό ηλεκτρονίων και τιμές m/e 70 (Μ-34) και m/z 42 [Μ-(34+28)]. Η απώλεια 34 μονάδων αντιστοιχεί στην ένωση H2S και υποδεικνύει την ύπαρξη μιας θειόλης (RSH). Η φασματική γραμμή (m/e 42) αντιπροσωπεύει το τμήμα C3H6+, που σχηματίστηκε με την αποβολή H2S και CH2=CH2 (MB=28) από το μοριακό ιόν. Η διεργασία θραύσης μπορεί να εξηγηθεί με δύο εναλλακτικές δομές (α, β), που μέσα από κυκλικές (6 άνθρακες) μεταβατικές καταστάσεις μπορούν να οδηγήσουν στο m/e 42.

H3C

CH

H

H2CCH2

CH2

S

H H3C

CH

CH2

H2C

H

CHCH2

CH2

S

H

H3C

(α) (m/z 42) (β) Οι πιο χαρακτηριστικές φασματικές γραμμές, για ιόντα με άρτιο αριθμό ηλεκτρονίων είναι m/z 55, 41 και 24 και οφείλονται στα ιόντα

+−12nn HC , πράγμα που επιβεβαιώνει την ύπαρξη ανθρακικής αλυσίδας. Η

φασματική γραμμή m/z 47 με άρτιο αριθμό ηλεκτρονίων, είναι μια α-σχάση που σημαίνει πρωτοταγή θειόλη. Η φασματική γραμμή με m/z 61 οφείλεται στο ιόν που περιέχει το άτομο του θείου, δηλ. C2H5S+, υπογραμμίζοντας τη βασική δομική μονάδα που δίνει τους παρακάτω συντακτικούς τύπους:

R

H2C CH2

S HH2C CH2

S

H

+ R

Τέλος, η ισχυρή φασματική γραμμή με m/z 29 (C2H5+) είναι ένδειξη ότι η ένωση είναι 1-πεντανοθειόλη και όχι 3-μεθυλο-1-βουτανοθειόλη [CH3CH(CH3)CH2CH2SH] που μπορεί να δώσει το ιόν C2H5+ με αρκετά περίπλοκη ανακατάταξη του μορίου.

278

• Παράδειγμα 2: Το φάσμα μαζών της ένωσης με μοριακό τύπο C7H6O2 και με μοριακό ιόν 122..

Σχήμα 12.21. Φάσμα μαζών του C7H6O2. Από το φάσμα ΦΜ φαίνεται ότι η φασματική γραμμή του Μ+ είναι η ισχυρότερη (100% αφθονία). Το γεγονός αυτό και οι φασματικές γραμμές με m/e 76, 66, 65, 39 και 38 καθιστούν φανερό την ύπαρξη βενζολικού δακτυλίου. Επίσης η ελαφρά ισχυρότερη φασματική γραμμή με 121 (και η 29, που μπορεί να είναι CHO+) δείχνουν ότι η ένωση μπορεί να είναι αρωματική αλδεΰδη. Το άλλο τμήμα του μορίου πρέπει να είναι ένα υδροξύλιο (ΟΗ). Συμπεραίνουμε ότι η C7H6O2 είναι υδροξυβενζαλδεΰδη.

C

O

HHO

C O

HO- H

HO

C O

(m/e 93)

m/e 104

- CO

- HO

279

12.9. Φυσική Αφθονία Ισοτόπων Στοιχείων και η Σημασία τους στα Φάσματα Μαζών. Για την περίπτωση των μοριακών ιόντων στα φάσματα μαζών, πρέπει να ληφθεί υπόψη και ο αριθμός των ισοτόπων των στοιχείων. Τα διάφορα στοιχεία (C, H, O) που καταγράφονται με την ΦΜ έχουν δύο ή και περισσότερα ισότοπα. Η φυσική αφθονία των πιο συνηθισμένων στοιχείων που απαντούν στις οργανικές ενώσεις παρατίθενται στον ακόλουθο πίνακα. Πίνακας 12.1.

Στοιχείο Φυσική αφθονία ισοτόπων Μάζα % Μάζα % Μάζα %

Υδρογόνο Άνθρακας Άζωτο Οξυγόνο Φθόριο Φωσφόρος Θείο Χλώριο

1 12 14 16 19 31 32 35

99.98 98.93 99.63 99.76

100.00 100.00 95.03 75.53

2 13 15 17

33

0.02 1.07 0.37 0.04

0.75

18

34 37

0.20

4.22 24.47

Εκτός από το βρώμιο, το ελαφρότερο ισότοπο είναι και το πιο άφθονο σε όλα τα στοιχεία. Όταν υπολογίζεται (ή μετράται) το μοριακό ιόν (που κατά συνέπεια συνδέεται με το μοριακό βάρος), είναι φυσικό να προσδιορίζονται τα πιο άφθονα ισότοπα των στοιχείων. Ωστόσο, το φάσμα μαζών είναι ευαίσθητο και καταγράφει την παρουσία των ιόντων που προκύπτουν από μόρια που περιέχουν ένα ή περισσότερα ισότοπα των στοιχείων. Έτσι αντί για μία μόνο φασματική γραμμή του Μ+ παρουσιάζεται μια συστάδα γραμμών (molecular-ion cluster) με Μ, Μ+1, Μ+2, κ.λπ. Άνθρακας, υδρογόνο οξυγόνο και άζωτο (ισότοπα). Για παράδειγμα στο φάσμα του μεθανίου, θα παρατηρηθεί ότι το Μ+ αποτελείται από δύο γραμμές, m/e 16 από το (12C1H4)+ και m/e 17που οφείλεται κυρίως στο (12C 1Η22H2)+. Η παρουσία μοριακών ιόντων με m/e 18, που μπορεί να οφείλεται είτε στο (13C 1Η32H)+, είτε στο (12C 1Η22H2)+ είναι αμελητέα, λόγω της πολύ χαμηλής φυσική αφθονίας του ισοτόπου 2Η (0.02%), καθιστώντας έτσι αδύνατο το συνδυασμό ενός δεύτερου 2Η ή ακόμη και ενός 13C. Με την προϋπόθεση ότι τα δυναμικά ιονισμού των 12C1H4 και 13C1H4 είναι όμοια (μια λογική υπόθεση), τότε η αναλογία της έντασης των γραμμών θα είναι (λαμβάνοντας υπόψη τη φυσική αφθονία του 13C):

08.110003.98

07.11001=×=×

+M

M

280

Στην περίπτωση ενός πιο σύνθετου υδρογονάνθρακα, για παράδειγμα του C30H62, η συστάδα των γραμμών των μοριακών ιόντων θα αποτελείται τουλάχιστον από τρεις γραμμές αρκετής έντασης (ώστε να διακρίνονται). Οι τιμές τους θα ένια m/e 422, 423 και 424 (Μ, Μ+1 και Μ+2). Η γραμμή Μ+2 δεν είναι πλέον αμελητέα, γιατί η παρουσία 30 ατόμων άνθρακα σημαίνει ότι τα μόρια που περιέχουν δύο άτομα 13C θα οδηγήσουν σε μια σημαίνουσα γραμμή Μ+2. Η αναλογία της έντασης των γραμμών (ή κορυφών) θα είναι:

4.3210003.98

07.1301001≈×≈×

+M

M

λόγω της φυσικής αφθονίας του ατόμου 13C. Ο μεγάλος αριθμός ατόμων υδρογόνου σημαίνει ότι, η συνεισφορά τους στην κορυφή Μ+1 λόγω 2Η ενισχύεται αντίστοιχα, έτσι ώστε:

24.110098.9802.0621001

≈×≅×+

MM (από τα άτομα 2Η μόνο)

Η τελική αναλογία των δύο γραμμών (κορυφών) για την ένωση C30H62 θα είναι:

)24.14.32(64.331001+≅×

+M

M

Επίσης, η αναλογία των δύο γραμμών (Μ+2/Μ)Χ100 θα έχει χαρακτηριστική τιμή που προσδιορίζεται από τη φυσική αφθονία των ισοτόπων άνθρακα και υδρογόνου. Ο παραπάνω υπολογισμός της έντασης των φασματικών γραμμών είναι μια προσέγγιση. Ωστόσο, οι Beynon και Williams υπολόγισαν τις αναλογίες (Μ+1)/Μ και (Μ+2)/Μ για όλους τους πιθανούς συνδυασμούς των ατόμων C, H, O καιν Ν μέχρι μοριακού βάρους 500. Πρέπει να έχουμε υπόψη ότι, η συστάδα του μοριακού-ιόντος πρέπει να έχει κάποια λογική ένταση για να μπορεί να μετρηθεί με ικανοποιητική ακρίβεια. Ένας κατά προσέγγιση υπολογισμός μπορεί να επιτευχθεί και με τη φόρμουλα CWHXNYOZ:

YXWM

M 37.002.008.11001++=×

+

( ) ZXW

MM 20.0

20002.008.11002 2

++

=×+

Παρόμοιες υποθέσεις και υπολογισμοί ισχύουν και για ισότοπα των στοιχείων θείου και αλογόνων. Όταν περιέχονται σε οργανικές ενώσεις.

281

12.10. Συνδυασμός αερίου χρωματογράφου και φασματογράφου μαζών. Το πιο σημαντικό πρόβλημα στη φασματογραφία μαζών ήταν μέχρι πρόσφατα η καθαρότητα του δείγματος. Ακόμη και ελάχιστες ποσότητες προσμίξεων ή παράγωγα της ένωσης μπορούν να δώσουν πολλές ανεξήγητες φασματικές γραμμές που θα δυσκολέψουν την ερμηνεία του φάσματος. Εάν όμως το δείγμα περάσει μέσα Από τη στήλη διαχωρισμού ενός αέριου χρωματογράφου (ΑΧ) τότε παραλαμβάνεται σε τελείως καθαρή κατάσταση (θα είναι ένα από τα κλάσματα της χρωματογράφησης). Οι ποσότητες (10-12 μέχρι 10-3 g) που εξέρχονται μετά τη χρωματογράφηση είναι στην αέρια φάση και σε ιδανικές συνθήκες για να περάσουν στο θάλαμο ιονισμού του ΦΜ, με την προϋπόθεση να απομακρυνθεί το φέρον αέριο (συνήθως ήλιο). Η απομάκρυνση του φέροντος αερίου γίνεται με φίλτρα (από συντηγμένο γυαλί) ή με μεμβράνες, ενώ η πιο συνηθισμένη μέθοδος είναι με την επίδραση του κενού. Το φέρον αέριο και το κλάσμα της οργανικής ένωσης διαβιβάζονται, μετά το διαχωρισμό τους από τον ΑΧ, σε ένα ακροφύσιο διαχωρισμού (jet separator). Με τον τρόπο η οργανική ένωση (σε αέρια κατάσταση), που είναι πιο βαριά από το ήλιο, περνάει στο σύνολό της κατά μήκος του υψηλού κενού (μεταξύ των δύο ακροφυσίων) στο θάλαμο ιονισμού, ενώ το μικρού μοριακού βάρους αέριο διαχέεται πλαγίως, κάτω από την επίδραση του κενού.

Σχήμα 12.22. Αέρια χρωματογραφία-φασματομετρία μάζας (GC-MS).

282

Σχήμα 12.23. Ανάλυση δείγματος οργανοσεληνιακής ένωσης με HPLC-MS. Χρωματογράφημα HPLC-ICP-MS (ion-pair reversed-phase) υγρής χρωματογραφικής υψηλής πίεσης.

(α) (β)

Σχήμα 12.24. (α) Φάσμα ESI-MS ισοτοπικό προφίλ, (β) I-MS/MS φάσμα με ιόν m/z 198 για την σεληνομεθειονίνη (ενζυματική υδρολάση της ζύμης).(ΙCP-MS: inductively coupled plasma-mass spectrometry, ESI: electrospray ionization, MALDI: matrix-induced laser desorption ionization. Ο ΑΧ είναι άμεσα συνδεδεμένος με τον ΦΜ και το φάσμα μαζών κάθε μιας ουσίας στο μίγμα καταγράφεται καθώς εγκαταλείπει τη στήλη διαχωρισμού. Με τον τρόπο αυτό, που υποβοηθείται σε σημαντικό βαθμό τελευταία με ηλεκτρονική καταγραφή του χρωματογραφήματος και ευχέρεια

283

ακριβούς διαχωρισμού, γίνεται και η ανίχνευση μικρών ποσοτήτων προσμίξεων και η πιστοποίηση τους. Ένα παράδειγμα που μπορούμε να αναφέρουμε εδώ, είναι ο διαχωρισμός και πιστοποίηση με ΑΧ-ΦΜ (GC-MS) των εκατοντάδων οργανικών ενώσεων που περιέχονται στο άρωμα του καφέ. Ως αναλυτική μέθοδος, η GC-MS εφαρμόζεται με μεγάλη επιτυχία στην ανάλυση (ρουτίνας πλέον) φαρμάκων, φυτοφαρμάκων, στεροειδών και μεταβολιτών στο αίμα και τα ούρα, τοξικών ουσιών στα τρόφιμα, τοξικών ουσιών στο πόσιμο νερό, κλπ. Παρά τους περιορισμούς και τα μειονεκτήματα που παρουσιάζει ο συνδυασμός GC-MS (απαιτείται ταχύτατη καταγραφή του φάσματος, ορισμένες αντιδράσεις ισομερισμού μέσα στη στήλη διαχωρισμού του αέριου χρωματογράφου περνούν απαρατήρητες, μικρές ποσότητες του φέροντος αερίου διαφεύγουν στο θάλαμο ιονισμού, κλπ). Η “ανάγνωση” του φάσματος και η σύγκριση του με φάσματα από μια συλλογή 30000-40000 φασμάτων σε τράπεζα πληροφοριών είναι πλέον εργασία απλή με τη βοήθεια του ηλεκτρονικού υπολογιστή που φέρουν όλοι οι νέοι φασματογράφοι μάζας.

Σχήμα 12.25. Φασματογράφος HPLC-MS.

12.11. Μοριακά Ιόντα–θραύσματα και οι Οργανικές Ενώσεις από τις Οποίες Προκύπτουν Πίνακας 12.2. Μοριακά ιόντα –θραύσματα και οι οργανικές ενώσεις από τις οποίες προκύπτουν. Μάζα ιόντος

Τύπος ιόντος ή ουδέτερο μόριο

Ομάδα ενώσεων ή δομική ομάδα από τις οποίες προκύπτει το μοριακό ιόν ή

το ουδέτερο μόριο 12 13 14

C CH+

CH2 , N+, N2++, CO++

Τα ιόντα 12-14 προκύπτουν από μεγάλο αριθμό οργανικών ενώσεων, κατά τη θραύση τους στο φασματογράφο μαζών.

284

15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29

CH3+ O , NH2+, O2++ OH+, NH3 H2O , NH4+ H3O+, F+ HF ,Φ++, CH2CN++ C2H2O++ CO2++ Nα C2 C2H+ C2H2 , CN+ C2H3+, HCN C2H4 ,CO , N , HCNH+ C2H5+, CHO+

Ν-αιθυλαμίνες, μεθυλο-ομάδες ως υποκατα-στάτες σε ανθρακική αλυσίδα, κλπ. (α) μεθάνιο (CH4) σπανίως (β) οξυγόνο (Ο): νιτροενώσεις, σουλφόνες, εποξείδια, Ν-οξείδια. (α) (ΟΗ): οξέα (ιδιαίτερα αρωματικά), υδροξυλαμίνες, τεταρτοταγείς αλκοόλες, σουλφοξείδια, νιτρο ενώσεις. (β)(ΝΗ3): πρωτοταγείς αμίνες. (Η2Ο): αλκοόλες, μερικά καρβοξυλικά οξέα, αλδεΰδες, κετόνες, λακτόνες, κλπ. (F): φθορίδια. (Η F): υδροφθορίδια. Τα ιόντα 21-24 προκύπτουν από διάφορες οργανικές ενώσεις (το Να από ενώσεις που είναι άλατα νατρίου). Ακετυλένια στο τέλος της ανθρακικής αλυσίδας. (α) (C2H2): αρωματικές ενώσεις. (β) (CN): νιτρίλια. (α) (C2H3): βινυλο ενώσεις (τέλος ανθρακι-κής αλυσίδας), μερικοί αιθυ-λοεστέρες και Ν-αιθυλαμίδια. (β) (ΗCN): αρωματικό Ν, νιτρίλια. (α) (C2H4): από διάφορες οργανικές ενώ-σεις, κυκλοεξένια, αιθυλοεστέρες, προπυ-λοκετόνες, προπυλoϋποκατεστημένες αρωματικές ενώσεις. (β) (CΟ): αρωματικό Ο, κινόνες, λακτό-νες. (γ) (Ν2): διαζω ενώσεις.

285

30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40

CΗ2Ο ,CΗ2ΝΗ2 ,ΝΟ+, C2Η6 , ΒF , Ν2Η2 CΗ3Ο+,CΗ3ΝΗ2 ,CF+, Ν2Η3+ Ο2 ,CΗ3ΟΗ ,S ,Ν2Η4 CH3OH2+, SH+, CH2F+ SH2 , (OH+OH) SH3+, Cl+, (OH+H2O) HCl , C3+, (H2O+H2O) C3H+ C3H2 C3H3+ C3H4 , CH2CN+,Φ

(α) (C2H4): διάφορες οργανικές ενώσεις, προ-κύπτει σε μεγάλη σχετική αφθονία. (β) (CΗΟ): φαινόλες, φουράνια, αλδεΰδες. (α) (C2H6): αιθυλο αλκάνια. (β) (CΗ2Ο): κυκλικοί αιθέρες, λακτόνες, πρωτο-ταγείς αλκοόλες. (γ) (ΝΟ): νιτρο και νιτρωδο ενώσεις (ενδεικτικό για άζωτο). (α) (CH3Ο): μεθυλοεστέρες, μεθυλοαι-θέρες, πρωτοταγείς αμίνες. (β) (CH3ΝΗ2): Ν –μεθυλαμίνες. (γ) (Ν2Η3): υδραζίδια (α) (CH3ΟΗ): μεθυλοεστέρες, μεθυλο-αιθέρες. (β) (S) σουλφίδια. (γ) (Ο2): κυκλικά υπεροξείδια. (α) (CH3―Η2Ο): διάφορες οργανικές ενώσεις (ενδεικτικό οξυγόνου). (β) (SH): (ενδεικτικό για θείο). (γ) (CH2F): φθορομεθυλο ενώσεις. (α) (SH2): διάφορες οργανικές ενώσεις (ενδει-κτικό για θείο). (β) (ΟΗ+ΟΗ): νιτροενώσεις. (α) (Cl): χλωρίδια. (β) (ΟΗ +Η2Ο): νιτροενώσεις (ενδει-κτικό για 2 οξυγόνα). (α) (ΗCl): χλωρίδια. (β) (Η2Ο +Η2Ο): (ενδεικτικό για 2 οξυγόνα). Διάφορες οργανικές ενώσεις. Αρωματικές ενώσεις. (CH2CΝ): κυανομέθυλο ενώσεις.

286

12.12. Βιβλιογραφία: Φασματομετρία Μαζών

1. Benyon JH. Mass Spectrometry and its Applications to Organic Chemistry. Elsevier, Amsterdam, 1960.

2. Bierman K. Mass Spectrometry: Organic Chemical Applications. Mc Graw-Hill, New York 1962.

3. Budsikiewicz H, Djerassi C, Williams DH. Interpretation of Mass Spectra of Organic Compounds. Holden-Day, San Francisco, 1964.

4. Kiser RN. Introduction to Mass Spectrometry and its Applications. Prentice-Hall, New Jersey, 1965.

5. Hill HC. Introduction to Mass Spectrometry. Heyden, London, 1966. 6. Benyon JH, Saunders RA, Williams A. The Mass Spectra of Organic

Molecules. Elsevier, Amsterdam, 1968. 7. White FA. Mass Spectrometry IN Science and Technology. John Wiley and

Sons, New York, 1968. 8. Shrader SR. Introductory Mass Spectrometry. Allyn and Bacon, Boston, 1971. 9. Williams DH, Howe I. Principles of Organic Mass Spectrometry. McGraw-

Hill, London, 1972. 10. Johnstone RAW. Mass Spectrometry for Organic Chemists. Cambridge

University Press, Cambridge, 1972. 11. Litsow MR, Spalding TP. Mass Spectrometry of Inorganic and

Organometallic Compounds. Elsevier, New York, 1973. 12. McLafferty FW. Interpretation of Mass Spectra. Benjamin, London, 1973,

University Books, California, 1980 (3rd ed). 13. McFadden W. Techniques of Combined Gas Chromatography/Mass

Spectrometry: Applications in Organic Analysis. Wiley-Interscience, New York, 1973.

14. Mayer JR. The Mass Spectrometer. Wykeham publ, London, 1977. 15. Rose ME, Johnstone RAW. Mass Spectrometry for Chemists and Biochemists.

Cambridge University Press, Cambridge, 1982. 16. McLafferty FW, Venkatavaghavan. Mass Spectra Correlations. Amercan

Chemical Society, Washington DC, 1982. 17. Message GM. Practical Aspects of Gas Chromatography/ Mass

Spectrometry. John Wiley and Sons, Chichester, 1984. 18. Chapman JR. Practical Mass Spectrometry. John Wiley and Sons, New York,

1985. 19. Gaskell S.(ed). Mass Spectrometry in Biochemical Research. John Wiley and

Sons, New York, 1986. 20. White FA, Wood GM. Mass Spectrometry: Applications in Science and

Engineering. Wiley-Interscience, New York, 1986. 21. Karasek FW (ed). Mass Spectrometry in Environmental Sciences. Plenum,

New York, 1985. 22. Duckworth HE, Barber RC, Venkatasubramanian VS. Mass Spectrometry.

Cambridge University Press, Cambridge, 1986 (2nd ed).

287

23. Burlingame AL, Castagnoli N.(eds). Mass Spectrometry in the Health and Life Sciences. Elsevier, Amsterdam, 1985.

24. Davis R, Frearson M. Mass Spectrometry (Analytical Chemistry by Open Learning Series). John Wiley and Sons, Chisester, 1987.

25. McLafferty FW, Stanffer DB. Wiley/NBS Registry of Mass Spectral Data. John Wiley and Sons, New York, 1988.

26. Eight Peak Index of Mass Spectra (by the Mass Spectrometry Data Centre). Royal Society of Chemistry, London, 1988 (3rd ed).

27. Busch KL, Glish G. Mass Spectrometry/ Mass Spectrometry Techniques and Applications of Tandem MS. VCH Verlag, New York, 1988.

28. McLaffery FW, Abrhamm S. Registry Of Spectral Data. John Wiley and Sons, New York, 1987.

29. Constantin E, Scnell B. Mass Spectrometry: Principles and Applications. John Wiley and Sons, New York, 1989.

30. Chapman JR. Practical Organic Mass Spectrometry. A Guide for Chemical and Biochemical Analysis. John Wiley & Sons, Chichester, 1994.

31. Lee Ta. A Beginner’s Guide to Mass Spectral Interpretation. John Wiley & Sons, Chchester, 1998.

32. Sparkman OD. Mass Spec. Desk Reference. Global View Publishers, New York, 2000.

33. Niess W, ed. Current Practice of Gas Chromatography-Mass Spectrometry. Marcel Dekker, Oxford, 2001.

34. Downard K. Mass Spectrometry: A Foundation Course. Royal Society of Chemistry, Cambridge, 2004.

35. Smith RM. Understanding Mass Spectra. A Basic Approach, 2nd ed, Wiley-Interscience, New York, 2004.

36. McMaster MC. GC/MS. A Practical User’s Guide. John Wiley & Sons, Hoboken, NJ, 2005.

288