Ústav chemie Přírodovědecké fakulty Masarykovy univerzity C2200 Chemická syntéza – praktikum Spektrální charakteristika produktů Jaromír Literák 20. dubna 2011 Obsah Obsah 2 Hmotnostní spektroskopie 3 Stanovení sumárního vzorce . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Základní pravidla fragmentačních reakcí . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 Interpretace hmotnostních spekter s elektronovou ionizací . . . . . . . . . . 9 Složení nenabitých fragmentů molekul při EI . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Složení iontů molekul v MS s EI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 Bromethan 17 Benzofenon-oxim 19 3-Nitroacetofenon 21 3-Aminoacetofenon 23 1-(3-Nitrofenyl)ethanol 25 Ethylenacetal ethyl-3-oxobutanoátu 27 1,2-Difenylbutan-1,2-diol 29 4-Methyl-2-(2-nitrofenylazo)fenol 31 4-Fenylazo-1-naftol 32 Ferrocen 33 Trimethyl-boritan 34 2 Hmotnostní spektroskopie (MS) Hmotnostní spektroskopie využívá řadu fyzikálních metod ke stanovení hmotnosti nabitých částic, kterými jsou mohou být atomy, molekuly nebo fragmenty molekul. Všechny tyto metody jsou založeny na převedení analyzovaných částic do plynného stavu, jejich ionizaci a na separaci vzniklých iontů pohybem v magnetickém, elektrickém poli nebo v kombinaci těchto polí a registraci iontů v detektoru. Separace iontů závisí vedle hmotnosti také na náboji částice, v hmotnostní spektroskopii se proto místo hmotnosti m užívá poměr hmotnosti k náboji částice m/z, protože nabitá částice je neodlišitelná od částice s dvojnásobnou hmotností nesoucí dvojnásobný náboj. Uspořádání hmotnostního spektrometru ukazuje následující schéma. V rutinní analýze organických látek se nejčastěji používají relativně levné a jednoduché hmotnostní spektrometry s elektronovou ionizací (EI, electron ionization) a kvadrupólovým hmotnostním filtrem. Vstup látky do hmotnostního spektrometru látky může například představovat výstup z kolony plynového chromatografu, látka může být také přímo zplyněna za vysoké teploty ve speciálním zařízení a analyzována bez předchozí chromatografické separace. Analyzovaná látka v plynném skupenství je vnášena do iontového zdroje přístroje, kde dochází k ionizaci účinkem proudu elektronů urychlených potenciálovým rozdílem, nejčastěji se jedná o 70 V. Průlet urychlených elektronů kolem molekul vyvolá nejčastěji vytržení jednoho elektronu z molekuly a vznik kation radikálu. Vzniklé ionty jsou z iontového zdroje vypuzeny elektrostatickou silou a jejich proud po fokusaci iontovou optikou vstupuje do kvadrupólového hmotnostního filtru. 3 Kvadrupól je soustava čtyř rovnoběžných kovových tyčí o kruhovém nebo hyperbolickém průřezu, které jsou situovány v rozích čtverce. Protilehlé tyče kvadrupólu jsou vodivě spojeny a nabity na stejný potenciál, současně je také potenciál dvou párů tyčí modulován radiofrekvenčním napětím o proměnlivé frekvenci. Ion, který vlétl do kvadrupólu, se díky působení elektrostatických sil začne pohybovat po zakřivené trajektorii. Při dané frekvenci a napětí vloženém na tyče kvadrupólu může projít celým hmotnostním filtrem pouze ion o určitém poměru m/z, zbytek iontů o odlišném poměru m/z se začne pohybovat po nestabilních trajektoriích a nárazem na stěny filtru zanikne. Ionty prošlé hmotnostním filtrem jsou registrovány v detektoru, kterým je často elektronásobič. Napětí a modulující frekvence jsou řízeny elektronicky, postupnou změnou těchto parametrů a současným záznamem odezvy detektoru můžeme získat hmotnostní spektrum, tedy závislost četnosti prošlých iontů na poměru jejich m/z. Prostory, ve kterých se pohybují ionty, musí být evakuovány na velmi vysoké vakuum (typicky 10−6 torr), aby se zabránilo nežádoucím kolizím iontů s molekulami plynu. Energie elektronů užívaných při elektronové ionizaci (70 eV) výrazně převyšuje vazebné energie a ionizační energie molekul, není proto překvapující, že vznikající ionty s přebytkem vnitřní energie jsou nestabilní a s velkou pravděpodobností se štěpí na lehčí molekuly. Díky vysokému vakuu nejsou pravděpodobné bimolekulární reakce iontů. Následující obrázek zachycuje hmotnostní spektrum methanolu s elektronovou ionizací. Ion s m/z 32 je tzv. molekulární iont (M+), jeho hmotnost odpovídá hmotnosti molekuly složené z izotopů s nejvyšším zastoupením. Nejintenzívnějším iontem 4 v hmotnostním spektru je iont s m/z 31, tento iont se označuje jako základní pík. Fragmentační reakce probíhající po elektronové ionizaci methanolu zachycují následující rovnice: CH3OH EI CH3OH m/z 32 CH2OH + HCH3OH m/z 31 CHO + H2CH2OH m/z 29 CH3OH CH3 + OH m/z 15 + + (M+) Molekulový ion nemusí být ve spektru vůbec patrný (např. u ethylenacetalu ethyl- 3-oxobutanoátu nebo 1,2-difenylbutan-1,2-diolu se s tímto setkáme). Obecně platí, že intenzita M+ klesá s rostoucí molekulovou hmotností. Látky obsahující v molekule dlouhé lineární řetězce vykazují vyšší intenzitu M+ ve srovnání s více větvenými isomery. Na hmotnost molekuly v případě chybějícího iontu M+ mohou ukazovat fragmenty o hmotnostech M-1 (ztráta H·), M-15 (ztráta methylu CH3·), M-18 (ztráta vody H2O). Ztráta hmoty v rozmezí 19–25 je nepravděpodobná, mimo eliminace F· (M-19) a HF (M-20). Fragmentace iontů není náhodná, jako všechny chemické reakce je řízena pravidly, které lze pozorovat u klasických reakcí molekul. Hmotnostní spektrum může pomoci při identifikaci neznámé látky několika způsoby. Z produktů fragmentace lze usuzovat na přítomnost určitých funkčních skupin v molekule nebo strukturních motivů. Samotné fragmentační reakce molekuly vyvolané elektronovou ionizaci jsou monomolekulární procesy, jejichž průběh závisí relativně málo na experimentálních podmínkách. EI spektra jsou proto velmi dobře reprodukovatelná, existují obsáhlé knihovny EI hmotnostních spekter získaných při ionizační energii 70 eV, které lze prohledávat a srovnávat s naměřeným spektrem. Existuje celá řada ionizačních technik, které jsou šetrnější a nevedou k rozsáhlé fragmentaci iontů, neposkytují však stejně dobře porovnatelná a reprodukovatelná spektra. Stanovení sumárního vzorce Pomocí hmotnostní spektroskopie lze stanovit sumární vzorec analyzované sloučeniny. Můžeme využít skutečnosti, že hmotností nuklidů nejsou přesně celými násobky hmotnostní jednotky. Kombinace prvků (sumární vzorce) se proto liší motnostni a přesně stanovéná hmotnost zase zpětně ukáže sumární vzorec sloučeniny. Jako příklad mohou sloužit molekuly O2, N2H2 a CH3OH, které mají velmi podobné molární hmotnosti. O2 2 × 15,9949 = 31,9898 N2H2 2 × 14,0031 + 4 × 1,00783 = 32,0375 CH3OH 12,0000 + 4 × 1,00783 + 15,9949 = 32,0262 Pro rozlišení mezi těmito molekulami bychom museli stanovit m/z s přesností na nejméně tři desetinná místa. Toho lze dosáhnout pouze s užitím vysokorozlišujících 5 hmotnostních spektrometrů. Kvadrupólový hmotnostní spektrometr je však užíván k měření hmotnostních spekter s nízkým rozlišením, napřiklad ve spektru methanolu získaném na tomto přístroji se setkáme s hmotnostmi zaokrouhlenými na celá čísla. Skutečnost, že naprostá většina prvků tvořících organické sloučeniny obsahuje vedle majoritního izotopu ještě další těžší izotopy, může být využita ke stanovení složení menších molekul. Následující tabulka zachycuje izotopické složení prvků podílejících se nejčastěji na stavbě organických sloučenin. Prvek Isotop Relativní Isotop Relativní Isotop Relativní zastoupení zastoupení zastoupení Uhlík 12C 100 13C 1,11 Vodík 1H 100 2H 0,016 Dusík 14N 100 15N 0,38 Kyslík 16O 100 17O 0,04 18O 0,2 Fluor 19F 100 Křemík 28Si 100 29Si 5,1 30Si 3,35 Fosfor 28P 100 Síra 32S 100 33S 0,78 34S 4,4 Chlor 35Cl 100 37Cl 32,5 Brom 79Br 100 81Br 98 Jod 127I 100 Procentuální zastoupení izotopů je vztaženo na množství majoritního izotopu prvku. Přítomnost těžšího izotopu v molekule se projeví v hmotnostním spektru jako tzv. izotopický pík o vyšší hmotnosti. Izotopy vodíku, dusíku a uhlíku přispívají ke vzniku M + 1 izotopického iontu molekuly nebo jejího fragmentu. Díky nejvyššímu obsahu jsou nejvýznamnějšími příspěvateli k M + 1 izotopy 13C (1,1 % množství 12C) a 15N (0,38 % množství 14N). Pro určení počtu atomů uhlíku a dusíku v molekule musíme první vyjádřit intenzitu prvního izotopického píku molekulového iontu M + 1 v procentech intenzity M. Poté platí: %(M + 1) ≈ (1, 1 · x) + (0, 38 · y), kde x je počet atomů uhlíku a y je počet atomů dusíku. Pro odhad počtu atomů dusíku v molekule můžeme použít dusíkové pravidlo, podle kterého sloučenina obsahující lichý počet atomů dusíku má lichou hmotnost a sudou hmotnost má molekula obsahující sudý počet atomů dusíku. Pravidlo platí pro všechny sloučeniny obsahující pouze některé z těcto prvků: C, H, N, O, S, F, Cl, Br, I, P, B, Si a As. Přítomnost Br, Cl, S a Si se projevuje přítomností intenzívních píků M + 2. Přítomnost jednoho atomu bromu v molekule dává vzniknout velice charakteristické dvojici iontů M a M + 2 o přibližně stejné intenzitě (viz bromethan). Přítomnost jednoho atomu chloru lze také snadno odhadnout z přítomnosti iontu M + 2 s přibližně třetinovou intenzitou oproti M (37Cl tvoří 32,5 % množství 35Cl). Přítomnost většího počtu atomů Br a Cl vede ke složitější distribuci hmot iontů, poměr intenzit lze získat získat binomickým rozvojem, například pro prvek s dvěmi 6 isotopy, které mají relativním zastoupením a a b, užijeme vztah (a + b)n, kde n je počet atomů diisotopického prvku ve sloučenině. Pro sloučeninu obsahující dva atomy bromu v molekule (např. Br2) získáme a2 +2ab+b2 = 10.000+19.600+9.604, což po normalizaci poskytne pro poměr hmot M:(M+1):(M+2) poměr intenzit 51:100:49. Fuor, fosfor a jod jsou monoizotopické prvky, jejichž přítomnost je obtížné vystopovat metodou založenou na izotopických iontech. Příklady: V hmotnostním spektru látky byl kromě iontu M+ nalezen iont M + 1 s touto intenzitou: 150 (M+) 100 % 151 (M + 1) 10,2 % Sloučenina neobsahuje dusík nebo obsahuje sudý počet jeho atomů. Počet atomů uhlíku bude 9 (10,2/1,1), rozdíl hmotnosti devíti atomů uhlíku a hmotnosti molekulového iontu (42) nemůže být tvořen pouze atomy vodíku, rozdíl můžeme smysluplně doplnit atomy kyslíku a dusíku na C9H14N2 a C9H10O2. Analýza hmotnostního spektra ukáže, že se jedná o 1-(2-methoxyfenyl)ethanon (C9H10O2). V hmotnostním spektru jiné látky byl kromě iontu M+ nalezen iont M + 1 s touto intenzitou: 121 (M+) 100 % 122 (M + 1) 9,2 % Lichá hmotnost napovídá přítomnost lichého počtu atomů dusíku v molekule. Počet atomů uhlíku v molekule bude 8 ((9,2 − 0,38)/1,1). Rozdíl hmotnosti osmi atomů uhlíku a molekulového iontu (25) může být smysluplně doplněn pouze jedním atomem dusíku a 11 atomy vodíku (C8H11N1). Analýza hmotnostního spektra ukáže, že látkou je N,N -dimethylanilin. Základní pravidla fragmentačních reakcí Ionizace molekul pomocí urychlených elektronů tudíž zanechává ionty přebytkem vnitřní energie, který ve spojení s nestabilitou samotných kation-radikálů může následně vést k fragmentaci ionizovaných molekul. 1. Pravděpodobnost štěpení vazeb vycházejících z atomu uhlíku roste s počtem alkylových zbytků, které tento atom nese. Důvodem je stabilizace vzniklého karbokationtu alkylovými substituenty. Obecně platí, že se jako radikál ze substituovaného atomu uhlíku odštěpuje nejobjemnější skupina. Stabilita karbokationtů roste v následujícím pořadí: H C H H R C H H R C H R R C R R < < < primárnímethylkation sekundární terciární 7 2. Násobné vazby, cyklické struktury a zvláště aromatické (heteroaromatické) cykly stabilizují ion M+, vedou k omezení fragmentace a tím ke zvýšení intenzity M+. 3. Přítomnost násobné vazby zvyšuje výrazně pravděpodobnost štěpení v allylické pozici, které poskytuje stabilizovaný kation. Je potřeba si však uvědomit, že u alkenů dochází po elektronové ionizaci ke snadné migraci násobných vazeb. Využit tohoto pravidla však lze ve strukturní analýze cykloalkenů. 4. Cykloalkany a jejich deriváty nesoucí na atomech cyklu alkylové substituenty, mají tendenci odštěpovat tyto skupiny jako radikály, přičemž kladný náboj zůstává lokalizaván na příslušném atomu cyklu. R + R 5. Nenasycené šestičlenné cykly mají tendenci podléhat retro-Dielsově-Alderově reakci. Při fragmentaci výchozího iontu s lichým počtem elktronů zůstává kladný náboj přednostně a nebo výhradně na fragmentu, který má nižší ionizační ener- gii. + 6. Alkylaromáty podléhají štěpení β vazeb za vzniku rezonancí stabilizovaných kationtů benzylového typu, které jsou v rovnováze s aromatickým tropyliovým kationtem. R - R H H H H H H 7. Po elektronové ionizaci relativně snadno praskají vazby C–C a C–H vycházející z atomu uhlíku, který sousedí s heteroatomem nesoucím volné elektronové páry. Kladný náboj zůstává přednostně lokalizovan na fragmentu, který obsahuje heteroatom. Popsané štěpení je umožněno účinnou stabilizací vznikajicího karbokationtu konjugací s volnými elektronovými páry heteroatomu. H3C O H - H O H H H O H H H 8. Štěpení ionizované molekuly je často doprovázeno eliminací malých stabilních molekul, např. CO, H2O, H2S, NH3, HCN, R–OH, R–SH, CH2=C=O, alkeny. 8 9. Molekuly obsahující dvojnou vazbu a relativně snadno odštěpitelný atom vodíku v γ-pozici vůči této dvojné vazbě, podléhají McLaffertyho přesmyku spojeného s eliminací. O H Y R2 R1 Y = H, R, OH, OR, NH2 O H Y R2 R1 Y O H + R2 R1 H R R H H R H H + Interpretace hmotnostních spekter s elektronovou ionizací Při interpretaci hmotnostních spekter získaných s užitím elektronové ionizace mohou napomoci následující dvě tabulky. První tabulka obsahuje výčet pravděpodobného složení nenabitých fragmentů, které se uvolňují z ionizované molekuly a které mohou poukazovat na přítomnost určité funkční skupiny v molekule. Hmotnoti těchto nenabitých fragmentů vidíme jako rozdíl hmot v hmotnostním spektru, například v hmotnostním spektru methanolu jsou to rozdíly mezi m/z 32 (M+) a 31, 29 a 15. Složení často se vyskytujících nenabitých fragmentů molekul při EI m/z Fragment Možná funkční skupina 1 H 2 H2 15 CH3 16 O Ar–NO2, aminoxidy, sulfoxidy NH2 Karboxamidy, sulfonamidy 17 OH 18 H2O Alkoholy, aldehydy a ketony 19 F 20 HF 26 HC CH N C 27 N CH Aromatické nitrily, dusíkaté heterocykly H2C CH 9 m/z Fragment Možná funkční skupina 28 H2C CH2 CO (HCN + H ) 29 H3C CH2 Ethyl ketony, Ar(CH2)2CH3 CHO 30 CH2O Ar–O–CH3 NO Ar–NO2 H2N CH2 CH3CH3 31 H3C O Methyl ester H3C NH2HO CH2 32 H3C OH S 33 HS Thioly (CH3 + H2O) 34 H2S Thioly 35 Cl 36 HCl 2H2O 40 H3C C CH 41 H2C 42 H3C H2C C O NCO N C NH2 43 C3H7 Propylketony, ArCH2–C3H7 CH3 O Methylketony, CH3(C=O)–G H2C O H CH3 + CH2=CH2 HNCO 44 CO2 Estery, anhydridy karboxylových kyselin N2OH2C OH O NH2 HN CH2 CH3 10 m/z Fragment Možná funkční skupina 45 O CH2 CH3 Ethyl ester H3C OH COOH CH3CH2NH2 46 NO2 Ar–NO2 H2O + H2C CH2 CH3CH2OH 47 CH3S 48 SO Sulfoxidy CH3SH O3 49 CH2Cl 51 CHF2 52 C4H4 C2N2 53 C4H5 54 H2C CH2 55 H2C CH3 56 H2C CH3 H3C CH3 2 CO 57 C4H7 Butylketony C2H5 O Ethylketony 58 NCS NO + CO C4H10 CH3(CO)CH3 59 O O H3C 60 H2C OH OH Estery kyseliny octové C3H7OH 61 S H CH3CH2S 11 m/z Fragment Možná funkční skupina 62 H2S + CH2CH2 63 CH2CH2Cl 64 C5H4 S2 SO2 69 CF3 C5H9 77 C6H5 79 Br 80 HBr 85 CClF2 100 F2C CF2 119 F3C CF2 122 COOH 127 I 128 HI 12 Následující tabulka může pomoci v odhadu složení a struktury iontů, které pozorujeme v hmotnostním spektru s elektronovou ionizací. Možné složení iontů molekul v MS s EI m/z Složení iontu m/z Složení iontu 14 CH2 41 C3H5 C2H2NH 15 CH3 42 C3H6 C2H2O 16 O 43 C3H7 CH3CO C2H5N 17 OH 44 CH2CHO + H CO2 (vzduch) CH3CHNH2 (CO)NH2 (NH3)3N 18 H2O NH4 45 CH3CH(OH) CH2CH2OH CH2OCH3 (CO)OH 19 F H3O 46 NO2 26 C N C2H2 47 CH3S CH2SH 27 C2H3 49 35Cl CH2 28 C2H4 CHO 51 C4H3 CH2F 30 CH2NH2 NO 53 C4H5 31 CH2OH CH3O 54 CH2CH2CN 32 O2 (vzduch) 55 C4H7 H2C O H 33 SH CH2F 56 C4H8 34 H2S 57 C4H9 C2H5CO 35 35Cl 58 CH3(CO)CH3 C2H5CHNH2 (CH3)2NCH2 C2H5NHCH2 C2H5S 36 H35Cl 59 (CH3)2COH C2H5OCH2 CH3OCHCH3 CH3CH2CHOH H2N O CH2 + H COOCH3 C2H5CHOH 39 C3H3 60 CH2COOH + H CH2ONO 40 CH2CN Ar (vzduch) 61 CH3COOH + HCH2CH2SH CH2SCH3 13 m/z Složení iontu m/z Složení iontu 65 C5H5 79 H H HH H H H 79Br 67 C5H7 80 H79Br 68 CH2CH2CH2CN 81 C6H9 O CH2 69 C5H9 CF3 OH3C H 82 (CH2)4CN C6H10 C35Cl2 70 C5H10 83 C6H11 CH35Cl2 S 71 C5H11 C3H7CO 85 O O O C6H13 C4H9CO 72 C2H5(CO)CH2 + H C3H7CHNH2 (CH3)2NCO C2H5NHCHCH3 (a isomery) 86 C3H7(CO)CH2 + H C4H9CHNH2 (a isomery) 73 (CH3)3Si CH2 homology 59 87 C3H7COO CH2 homology 73 CH2CH2COOCH3 74 CH2COOCH3 + H 88 CH2COOC2H5 + H 75 COOCH2CH3 + 2H C2H5COO + 2H CH2SC2H5 (CH3)2CSH (CH3O)2CH (CH3)2SiOH 89 COOC3H7 + 2H C 76 H H HH 90 CH CH3CHONO2 77 H H HH H 91 CH2 (CH2)4 35Cl C6H5N 78 H H HH H H 92 N CH2 H H 14 m/z Složení iontu m/z Složení iontu 93 CH2 79Br C7H9 O N C O 105 C O CH2CH2 CHCH3 94 O N + H H CO 106 NHCH2 95 O CO 107 CH2O CH2 HO 79BrC2H4 96 (CH2)5CN 108 CH2O + H N CH3 CO 97 C7H13 S CH2 109 CO 98 + H O CH2O 111 S CO 99 C7H15 C6H11O O O 119 CF3CF2 C CH3 CH3 H3C CO H3C CHCH3 100 C4H9(CO)CH2 + H C5H11CHNH2 120 O C O 101 COOC4H9 121 NH C O OCH3 CH2 CO OH C9H13 102 CH2COOC3H7 + H 122 COOH + H 103 COOC4H9 + 2H C5H11S CH(OCH2CH3)2 123 COO + 2H CO F 104 C2H5CHONO2 125 SO 15 m/z Složení iontu m/z Složení iontu 127 I 139 CO 35Cl 128 HI 141 H2C I 130 N H CH2 147 O Si O CC CH3 CH3 H3C CH3 CH3 131 C3F5 CO 149 O O O + H 135 79BrCH2CH2CH2CH2 150 138 COO + H HO 16 Bromethan MS m/z 108 109 110 111 Relativní intenzita [%] 100 4 102 3 1H NMR, CDCl3 17 13C NMR (APT), CDCl3 18 Benzofenon-oxim MS m/z 197 198 199 Relativní intenzita [%] 100 13,4 1,2 1H NMR, CDCl3 19 13C NMR (APT), CDCl3 20 3-Nitroacetofenon MS m/z 165 166 167 Relativní intenzita [%] 100 8,6 0,4 1H NMR, CDCl3 21 13C NMR (APT), CDCl3 22 3-Aminoacetofenon MS m/z 135 136 137 Relativní intenzita [%] 100 19,4 0,7 1H NMR, CDCl3 23 13C NMR (APT), CDCl3 24 1-(3-Nitrofenyl)ethanol MS m/z 167 168 Relativní intenzita [%] 100 3,5 1H NMR, CDCl3 25 13C NMR (APT), CDCl3 26 Ethylenacetal ethyl-3-oxobutanoátu MS 1H NMR, CDCl3 27 13C NMR (APT), CDCl3 28 1,2-Difenylbutan-1,2-diol MS 1H NMR, CDCl3 29 13C NMR (APT), CDCl3 30 4-Methyl-2-(2-nitrofenylazo)fenol MS m/z 257 258 259 Relativní intenzita [%] 100 15,4 0,8 31 4-Fenylazo-1-naftol MS m/z 248 249 250 Relativní intenzita [%] 100 18,4 1,5 32 Ferrocen MS m/z 184 185 186 187 188 Relativní intenzita [%] 9,0 2,1 100 13,4 1,4 Isotopy železa a jejich zastoupení v přírodě Isotop Hmotnost [amu] Zastoupení [%] 54Fe 53,939612 5,845 56Fe 55,934939 91,754 57Fe 56,935396 2,1191 58Fe 57,933277 0,2819 33 Trimethyl-boritan MS m/z 103 104 105 Relativní intenzita [%] 27,0 100 3,8 Isotopy boru a jejich zastoupení v přírodě Isotop Hmotnost [amu] Zastoupení [%] 10B 10,012937 19,82 11B 11,009305 91,754 34