2016 espectrometria de masas.docx
TRABAJO DE ESPECTROSCOPIA ESPECTROSCOPIA DE IR Y ESPECTOMETRIA DE MASAS DOCENTE: GARCIA ARMAS, JUAN
Facultad de Ingeniería Industrial UNIVERSIDAD PRIVADA ANTENOR ORREGO 10/10/2016
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INTEGRANTES:
CISTERNA CUBA, GERSON GONZALES OLAVARRIA, SERGIO GRAU LMA, CLAUDIA JULON IDROGO, CARLOS ROJAS ENCIOSUP, ELIZABETH (COORDIANDORA) PRADO MINCHOLA , OSCAR RUIZ SAAVEDRA, MARCO ANTONIO
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1. PRINCIPIOS DE ESPECTROSCOPIA MOLECULAR: RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA ELECTROMAGNÉTICA1 Las radiaciones electromagnéticas pueden definirse como aquellos procesos en los que se emite energía bajo la forma de ondas o partículas materiales y pueden propagarse tanto a través de un medio material como en el vacío.
La radiación electromagnética, de la cual la luz visible es apenas un ejemplo, tiene las propiedades tanto de las partículas como de las ondas. Las partículas se llaman fotones, y cada uno posee una cantidad de energía llamada cuanto. En 1990, el físico alemán Max Planck propuso que la energía de un fotón (E) era directamente proporcional a su frecuencia (v). E=hv Las unidades SI de frecuencia son el reciproco de segundos (sˉ¹ (: recibieron el nombre de
hertz y el símbolo de Hz en honor a Heinrich R. Hertz, físico del siglo XIX. La constante de proporcionalidad h se llama constante de Planck y tiene el valor H=6.63 x 10ˉ³⁴ J.s La radiación electromagnética viaja a la velocidad de la luz (c=3.0 x 10⁸ m/s), que es igual al producto de su frecuencia v y su longitud de onda λ: C=vλ
1 Química
Orgánica Vol1. – L. G. Wade, pág. 510
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ESPECTRO ELECTROMAGNETICO
Figura 1
2. PRINCIPIOS
DE
ESPECTROSCOPIA
MOLECULAR:
ESTADOS
DE
ENERGÍA
CUANTIZADA ¿Qué es lo que determina que un fotón sea absorbido por una molécula? El requisito más importante es que la energía del fotón sea igual a la diferencia de energía entre dos estados, como dos estados de spin nuclear, dos estados vibratorios o dos estados electrónicos.
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En física el término para referirse a esto es resonancia: la transferencia de energía entre dos objetos que ocurre cuando sus frecuencias son igualadas. En espectroscopia molecular, lo que interesa es la transferencia de energía de un fotón a una molécula designados como E1 y E2. La diferencia de energía entre ellos es E2-E1 o ΔE. En la energía cinética, la cual es continua, significa que todos los valores de la energía cinética están disponibles para una molécula, solo ciertas energías son posibles para los estados electrónicos, vibratorios y de spin nuclear. Se dice que estos estados de energía están cuantizados. Las moléculas se encuentran más en el estado de energía menor E1 que en el estado de energía mayor E2. La excitación de una molécula de un estado menor a uno mayor requiere de un incremento de energía igual a ΔE. Por tanto, cuando la radiación electromagnética incide sobre una molécula, solo la frecuencia cuya energía correspondiente es igual a ΔE es absorbida, todas las otras frecuencias se transmiten.
3. Espectroscopia de infrarrojo2 La espectroscopia de infrarrojo (IR) era el método instrumental aplicado con más frecuencia para la determinación de las estructuras orgánicas.
3.1. Región Infrarroja. La radiación infrarroja es la porción del espectro electromagnético (vea la figura 2) entre las microondas y la luz visible. La fracción de la región infrarroja de más uso para la determinación de estructuras se encuentra entre 2.5×〖10〗^(-6) m y 16×〖 10〗^(-6) m en longitud de onda.
2 Química
Orgánica Vol1. – L. G. Walde, pag. 517
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Figura 2 3.2. Vibraciones moleculares3 La absorción de un fotón de radiación infrarroja excita una molécula desde su estado vibratorio más bajo, o basal, a uno mayor. Estas vibraciones incluyen los modos de alargamiento y de torsión del tipo ilustrado para un grupo metileno en la figura 3. Una sola molécula puede tener un número grande de vibraciones distintas, y los espectros de IR de moléculas diferentes, como las huellas digitales, son diferentes. La superposición de sus espectros de IR se ofrece por lo común como prueba de que dos compuestos son iguales.
Figura 3 Vibraciones de alargamiento y de torsión de una unidad de metilo. 3.3. Vibraciones activas e inactivas en el IR 3 Química
Orgánica Vol1. – L. G. Wade, pag. 519
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Uno de los componentes de una onda electromagnética es un campo eléctrico que se invierte con rapidez (E). Este campo estira y comprime de manera alternada un enlace polar (ver figura 3.3) .Cuando el campo eléctrico es en la misma dirección que el momento dipolar, el enlace se comprime y su momento dipolar disminuye.
1. Vibraciones activas4 Cuando el campo es opuesto al momento dipolar, el enlace se estira y su momento dipolar aumenta. Si este estiramiento y comprensión alternados del enlace ocurre a la frecuencia de la velocidad de vibración natural de la molécula, puede absorberse energía. Las vibraciones de los enlaces con momentos dipolares por lo general resultan en absorciones IR y se dice que son activas en el IR.
2. Vibraciones inactivas Si un enlace es simétrico y tiene momento dipolar de cero, el campo eléctrico no interactúa con el enlace. Debido a que la vibración no produce algún cambio en el momento dipolar, no hay absorción de energía. Se dice que esta vibración es inactiva en el IR y que no produce absorción en el espectro IR. La clave para una vibración activa en el IR es que la vibración debe cambiar el momento dipolar de la molécula.
4 Química
Orgánica Vol1. – L. G. Walde, pag. 519
P á g i n a | 7 Figura 3.3
3.4. Medición del espectro IR5 Los espectros de infrarrojo pueden medirse usando muestras líquidas, sólidas o gaseosas que se colocan en el haz de luz infrarroja. Un espectrofotómetro infrarrojo mide las frecuencias de la luz infrarroja absorbida por un compuesto. En un espectrofotómetro infrarrojo sencillo (figura 4), se usan dos haces de luz. El haz de la muestra pasa a través de la celda de la muestra, mientras el haz de referencia pasa a través de una celda de referencia que sólo contiene el disolvente. Un espejo rotatorio permite de manera alternada que la luz de cada uno de los dos haces entre al monocromador.
Figura 4
3.5. Espectroscopia IR de hidrocarburos6 Alcanos: Los espectros de IR de un alcano no son muy informativo debido a que no hay grupos funcionales presentes y todas las absorciones se deben a enlaces C-H y C-C. Los enlaces C-H del alcano muestran una absorción fuerte de 2850 a 2960cm-1 , y los enlaces saturados C-C muestran un número de bandas en el intervalo de 800 a 1300cm-1. Dado que la mayor parte de los compuestos orgánicos contienen porciones parecidas a las de los alcanos saturados, la mayor parte de los compuestos orgánicos tienen estas
5 Química 6 John
Orgánica Vol1. – L. G. Wade, pag. 519 E. McMurry. Química Orgánica. 7a Edición. Pág. 408-440
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absorciones IR características. Los enlaces C-H y
C-C son claramente visibles en los
tres espectros.
Alcanos
C
C
2850 - 2960cm-1
H
800 - 1300cm-1
C
Alquenos7: Los alquenos monosustituidos y disustituidos tienen absorciones de doblamiento fuera del plano características =C-H en el intervalo de 700 a 1000cm-1, razón por la que permite determinar el patrón de sustitución en el enlace doble. Los alquenos monosustituidos como el 1-hexeno muestran bandas características fuertes en 910 y 990cm-1, y los alquenos 2,2-disustituidos (R2C=CH2) tienen una banda intensa en 890cm-1 Alquenos
C
3020-3100cm-1
H C
RCH R2 C
1640 – 1680cm-1
C CH2 CH2
910 y 990cm-1 890cm-1
Alquinos 8: Los alquinos muestran una absorción de estiramiento C-C de 2100 a 2260cm1
, una absorción es mucho más intensa para alquinos terminales que para alquinos
internos. De hecho, los enlaces triples sustituidos simétricamente como en el 3-hexino no muestran ninguna absorción, por razones que no se discutirán aquí. Los alquinos terminales como el 1-hexino también tienen un estiramiento característico =C-H en 3300cm-1. Esta banda es diagnostica para los alquinos terminales debido a que es muy intensa y bastante definida
7 Francis 8 Francis
A. Carey Química orgánica, 6ta Edición. Pág. 590-632, 990 A. Carey Química orgánica, 6ta Edición. Pág. 590-632, 990
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3.6. Absorciones características de alcoholes y aminas.9
Alcoholes: El grupo funcional O-H de los alcoholes es fácil de localizar. Los alcoholes tienen una banda característica en el intervalo de 3400 a 3650cm-1 que por lo reglar es amplia e intensa. Si está presente, es difícil no encontrar está banda o confundirla con otra cosa
Alcoholes
C
H
3400 - 3650cm-1 (amplia, intensa)
Aminas: El grupo funcional N-H de las aminas también es fácil de localizar en el IR, con una absorción característica en el intervalo de 3300 a 3500cm-1. Aunque los alcoholes absorben en el mismo intervalo, una absorción N-H está mucho más definida y es menos intensa que una banda O-H.
10 Aminas
9 Francis
N
H
3300 - 3500cm-1(fuerte, intensa, media)
A. Carey Química orgánica, 6ta Edición. Pág. 590-632, 990
Wade Química orgánica, 5ta Edición. Pág. 510-561 10 Organic
Chemistry as a Second Language: Second Semester Topics, Volume 2, 9-22 pg. By David
R. Klein https://books.google.com.pe/books?id=tbfB1up3jQEC&printsec=frontcover#v=onepage&q&f=false
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Figura 5
3.7. Absorciones características de los compuestos carbonìlicos11 Debido a que tiene un momento dipolar grande, el enlace doble 0 = 0 produce absorciones infrarrojas intensas de estiramiento. Los grupos carbonilo absorben a frecuencias de 1700 cm- *, pero la frecuencia exacta depende del grupo funcional específico y del resto de la molécula. Por estas razones, la espectroscopia infrarroja con frecuencia es el mejor método para detectar e identificar el tipo de grupo carbonilo en un compuesto desconocido.
Cetonas, aldehidos y ácidos sencillos Las vibraciones de estiramiento del 0 = 0 de las cetonas y los ácidos carboxílicos sencillos ocurren a frecuencias de alrededor de 1710 cm- '.L a s de los aldehidos son un poco más altas, de alrededor de 1725 cm- 1 .Estas frecuencias son más altas que las de los enlaces dobles C = C debido a que el enlace doble C = 0 es más fuerte y más rígido.
11 Quimica
Orgánica By John McMurry,páginas 510-532 file:///H:/Nueva%20carpeta/espectro/Quimica%20Org%C3%A1nica%20-%20John%20McMurry%20%20Google%20Books.html
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Las absorciones del grupo carbonilo pueden ser tan intensas que producen bandas de armónicos pequeñas a alrededor de 3400 cm-1 , duplicando su frecuencia fundamental.
Además de la absorción intensa de estiramiento del 0 = 0 , un aldehido muestra un conjunto característico de dos frecuencias bajas del estiramiento del C—H de 2700 y 2800 cm "1. Ni una cetona ni un ácido producen absorciones en estas posiciones Un ácido carboxílico produce una absorción característica y ancha del O—H además de la absorción intensa del estiramiento del grupo carbonilo .Debido al enlace por puente de hidrógeno inusualmente intenso en los ácidos carboxílicos.
Disminución de las frecuencias de los grupos carbonilo debido a la resonancia carbonilo debido a la resonancia12 La deslocalización de los electrones pi reduce la densidad electrónica del enlace doble del grupo carbonilo, debilitándolo y disminuyendo la frecuencia de estiramiento de aproximadamente 1710 cm" 1 a 1685 cm“ 1 para las cetonas, aldehídos y ácido s
conjugados.
La absorción del C = C de un compuesto carbonílico conjugado puede no ser aparente en el espectro IR debido a que es mucho más débil que la absorción del C=O. La presencia del enlace doble C = C puede seguir siendo inferida a partir de su efecto sobre la frecuencia del 0 = 0 y la presencia de las absorciones del = € — H
insaturado arriba de 3000 cm-1.
12
Quimica Orgánica By John McMurry,páginas 510-532
file:///H:/Nueva%20carpeta/espectro/Quimica%20Org%C3%A1nica%20-%20John%20McMurry%20%20Google%20Books.html
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Los grupos carbonilo de las amidas absorben a frecuencias IR particularmente bajas: de aproximadamente 1640 a 1680 cm- 1 (figura 12-13). La estructura de resonancia dipolar (mostrada a continuación) coloca parte del enlace pi entre el carbono y el nitrógeno, dejando menos de un enlace doble C = 0 completo. La frecuencia muy baja del grupo carbonilo de la amida podría confundirse con el estiramiento del C = C de un alqueno.
Absorciones del grupo carbonilo mayores a 1725 cmˉ¹
Algunos grupos carbonilo absorben a frecuencias mayores a 1725 cm-1 . Por ejemplo, los ésteres carboxílicos sencillos absorben alrededor de 1735 cm-1. Estas absorciones de frecuencia más alta también se observan en las cetonas cíclicas tensadas (en un anillo de cinco miembros o menor). En un anillo pequeño, la tensión angular sobre el grupo carbonilo incrementa la densidad electrónica en el enlace doble C =O, lo que resulta en un enlace más fuerte y más rígido.
3.8. Absorciones características de los enlaces C-N13
13
Quimica Orgánica By John McMurry, Cengage Learning Editores, 2012páginas 510-532
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Las absorciones infrarrojas de los enlaces carbono-nitrógeno son similares a las de los enlaces carbono-carbono, excepto que los enlaces carbono-nitrógeno son más polares y dan absorciones más intensas. Los enlaces sencillos carbono-nitrógeno absorben aproximadamente en 1200 cm"1, en una región cercana a varias absorciones de los C— C y C—O. Por tanto, el estiramiento del enlace sencillo C—N rara vez es útil para la determinación de la estructura. Los enlaces dobles carbono-nitrógeno absorben en la misma región que los enlaces dobles C=C, alrededor de 1660 cm"*; sin embargo, el enlace C=N da origen a absorciones más intensas debido a su momento dipolar mayor. El estiramiento del C=N con frecuencia se parece en intensidad a la absorción de un grupo carbonilo. El enlace carbono-nitrógeno más fácil de reconocer es el enlace triple de un nitrilo. La frecuencia de estiramiento del enlace C=N del nitrilo es cercana a la de un enlace triple C=C acetilénico, alrededor de 2200 cm - 1; sin embargo, los nitrilos por lo general absorben por arriba de 2200 cm“ 1 (2200 a 2300 cm"1), mientas que los alquinos absorben debajo de 2200 cm-1. También, los enlaces triples de los nitrilos son más polares que los enlaces triples C^=C, por lo que los nitrilos producen absorciones más intensas que los alquinos.
3.9. Lectura e interpretación de los espectros IR14 Para analizar un espectro infrarrojo utilizaremos la siguiente tabla resumen para identificar los grupos funcionales de una manera más adecuada.
file:///H:/Nueva%20carpeta/espectro/Quimica%20Org%C3%A1nica%20-%20John%20McMurry%20%20Google%20Books.html 14 química orgánica, wade Leroy, Whitman College editorial Pearson, volumen x séptima edición, México 201
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TABLA 1 RESUMEN
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Pasos para analizar un espectro Ir 15: -
Primero dibujaremos una línea en 1500 cm⁻¹
-
Segundo debemos enfocarnos en cualquier señal a la izquierda de esta línea (región de diagnóstico), pues al hacerlo esto nos ayudara a identificar las siguientes regiones:
-
o
Doble banda (doble enlace): 1600-1850 cm⁻¹
o
Triple banda (triple enlace): 2100-2300 cm⁻¹
o
Banda X-H (enlace de hidrógeno): 2700-4000 cm⁻¹
Cada señal que aparezca en la región de diagnóstico deberá tener tres características:
o
Numero de onda 16 Para cualquier onda, la asociación entre la onda de absorción y la onda de estiramiento depende de dos factores:
o
15 Organic
Fuerza del enlace
Masa atómica
Intensidad de onda 17
Chemistry as a Second Language: Second Semester Topics, Volume 2, 9-22 pg. By David
R. Klein https://books.google.com.pe/books?id=tbfB1up3jQEC&printsec=frontcover#v=onepage&q&f=false 16 (misma
referencia)
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o
Forma de onda 18
Ejemplo IR del Tolueno 19 compuesto1:
17
Organic Chemistry as a Second Language: Second Semester Topics, Volume 2, 9-22 pg. By David R. Klein https://books.google.com.pe/books?id=tbfB1up3jQEC&printsec=frontcover#v=onepage&q&f=false 18
Organic Chemistry as a Second Language: Second Semester Topics, Volume 2, 9-22 pg. By David R. Klein https://books.google.com.pe/books?id=tbfB1up3jQEC&printsec=frontcover#v=onepage&q&f=false 19 qumica
orgánica, wade Leroy, Whitman College editorial Pearson, volumen x séptima edición, México 201, páginas 510-532 qumica orgánica, wade Leroy, Whitman College editorial Pearson, volumen x séptima edición, México 201, páginas 527
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Se aprecia una banda débil de 3420cm¯¹, una banda intensa de 1725 cm¯¹, y una banda en la región inusual del estiramiento del C-H. En la región de C-H tiene dos bandas adicionales de 2720 y 2820 cm¯¹, la banda intensa en 1725 cm¯¹ debe ser de un grupo C=O, y las bandas en 2720 y 2820 cm¯¹ sugieren un aldehído. La banda débil de 3420 cm¯¹ podría confundirse con un O-H de alcohol. A partir de la experiencia, sabemos que los alcoholes dan absorciones mucho más fuerte y más anchas del O-H. Esta banda pequeña probablemente es un armónico de la absorción intensa del C=O. Muchos espectros IR muestran absorciones pequeñas en la región del O-H a partir de armónicos, del agua o de otras impurezas.
Compuesto 2:
La absorción en 1650 cm¯¹ es tan intensa que probablemente indica un grupo carbonilo. Un grupo carbonilo a esta frecuencia baja sugiere una amida. Las bandas dobles (un par de bandas) de la absorción del N-H en aproximadamente 3300 cm¯¹ también sugiere una amida primaria, R-CONH₂. Dado que no hay absorción del C-H por arriba de 3000 cm¯¹, es probable que sea una amida saturada.
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Compuesto 3:
Espectro de infrarrojo del ácido hexanoico. Los ácidos carboxílicos muestran una absorción ancha del O-H de 2500 a 3500 cm¯¹. Esta absorción le da a toda la región del estiramiento del C-H una apariencia bastante ancha, puntualizada por absorciones más pronunciadas del estiramiento del C-H.
4. ESPECTROMETRÍA DE MASAS 4.1. Concepto Es una técnica para medir la masa y por tanto, la masa molecular (MM)de una molecula20 y en la mayoría de los casos brinda información valiosa acerca de la formula molecular 21 muy diferente a la espectroscopia IR puesto que EM va a utilizar una muestra con cantidades muy pequeñas que son resultado del rompimiento de moléculas que han sido irradiadas por electrones de energía alta, mientras que en la espectroscopia IR la molécula absorbe luz infrarroja produciendo cambios en las vibraciones de una molécula⁶ La espectrometría de masas de alta resolución (EMAR) puede dar una fórmula molecular exacta, incluso para una muestra impura.⁵ Los espectros de masas pueden utilizarse de dos modos generales⁶: Quimica orgánica, sexta edición, francis Care, editorial Mc Gramhill, mexico 2006 pagina 424. qumica orgánica, wade Leroy, Whitman College editorial Pearson, volumen x séptima edición, México 201, pagina 539 20 21
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a. Para comprobar la identidad de dos compuestos: cuanto mayor es el número de propiedades físicas (pto. de fusión, pto. ebullición, densidad, etc) encontradas en ambos compuestos, mayor es la evidencia de tener compuestos idénticos. b. Para ayudar a establecer la estructura de una sustancia nueva
La espectrometría de masas de mezclas: CG-EM22 Se combina con cromatografía de gases para el análisis rutinario de mezclas de compuestos, como mezclas de reacción o muestras ambientales.
4.2. Determinación de la fórmula molecular por medio de la espectrometría de masas.23 El peso molecular de un compuesto es un dato que puede obtenerse de ordinario por una inspección visual del espectro de masas. Aunque los cationes radicales producidos por la ionización electrónica inicial suelen experimentar una fragmentación considerable para dar cationes de m/z menor, la partícula de m/z mayor corresponde por lo general a la molécula ionizada y la m/z = M de esta partícula proporciona el peso molecular del compuesto. Si es espectro se mide con un espectrómetro de alta resolución, se puede establecer una formula molecular única para cualquier pico de un espectro de masas, comprendido del ion molecular. Utilizando esta relación, se calcula con facilidad la intensidad del pico del espectro de masas +1
Quimica organica, Morrison y Boyd quinta edicion, editorial Addison-wesley iberoamericana, mèxico 1990, página 560,651 22
Quimica orgánica, sexta edición, francis Care, editorial Mc Gramhill, mexico 2006 pagina 522 23
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4.3. Patrones de fragmentación en la espectrometría de masas 24
1. ALCANOS: Ruptura para dar los carbocationes más estables.
2. ALCOHOLES: Perdida de agua
Ruptura en α
Quimica orgánica,tercera edición, A. Streitwieser Chheathcock, editorial Mc Gramhill, mexico 1996 pagina 1343 24
P á g i n a | 21 3. ALQUENOS Y AROMATICOS: Ruptura para dar carbocationes alilicos y bencílicos.
CARBOCATION ALILICO
CATION BENCILICO m/z = 91
4. AMINAS: Ruptura α para dar cationes estabilizados
ION IMINIO
5. ETERES: Perdida de un grupo alquilo
ION TROPILO m/z = 91
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O
RUTURA EN α ION ESTABILIZADO
6. CETONAS Y ALDEHIDOS: Perdida de grupos alquilo para dar acilio
ION ACILIO
El re arreglo e MCLAFFERY rompe y produce ofelinas
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4.4. Aplicaciones en los diferentes grupos funcionales
ALCANOS El espectro de masas del n-hexano muestra varias características típicas de los alcanos de cadena recta. El pico base (m/z = 57) corresponde a la pérdida de un grupo etilo, originando un radical etilo y un catión butilo. El radical etilo neutro no se detecta porque no está cargado y no se desvía en el campo magnético.
Una fragmentación semejante da un catión etilo y un radical butilo. En este caso, el fragmento de etilo (m/z = 29) es el que se detecta
La ruptura simétrica del hexano da un catión propilo y un radical propilo
La ruptura para dar un catión pentilo (m/z =71) y un radical metilo es muy débil porque el radical metilo es menos estable que un radical sustituido. La ruptura para dar un catión metilo (m/z = 15) y un radical pentilo no es visible porque el catión metilo es menos estable que un catión sustituido. Parece que la estabilidad del catión es más importante que la estabilidad del radical porque aparece un pico débil correspondiendo a la pérdida de un radical metilo pero no se observa ruptura para dar el catión metilo.
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Las estabilidades de cationes y radicales se pueden emplear también para explicar los espectros de masas de los alcanos ramificados. La figura 11-17 muestra el espectro de masas 2-metilpentano.La fragmentación de un alcano ramificado sucede generalmente en el átomo de carbono de la ramificación para dar el catión más sustituido y un radical. La fragmentación del 2-metilpentano es el átomo de carbono ramificado puede dar un carbocation secundario de las maneras siguientes:
Ambas fragmentaciones dan cationes secundarios pero la segunda da un radical primario en lugar de un radical metilo. Por lo tanto, la segunda fragmentación explica el pico base (el mayor) mientras que la primera explica el otro pico grande en m/z = 71 .Otras fragmentaciones que resultan en cationes primarios explican los picos más débiles
ALQUENOS La fragmentación en el espectrómetro de masas se presenta dando cationes estabilizados por resonancia siempre que sea posible. La fragmentación más común en los alquenos es la ruptura de un enlace alilico para dar un catión alilico estabilizado por resonancia. Por ejemplo la figura 11-19 muestra como el radical catión del 2-hexeno sufre ruptura alilica para dar el catión estabilizado por resonancia que causa el pico base en m/z = 55 . Se encuentran en otros tipos de cationes estabilizados por resonancia en los espectros de masas de los éteres, aminas y
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compuestos carbonilicos en capítulos posteriores que describen la química de estos grupos funcionales.
El radical catión del 2 hexeno sufre una ruptura de un enlace alilico para dar un catión metalilo de m/z = 55. El otro fragmento de esta ruptura es un radical etilo que no se detecta porque no está cargado.
ALCOHOLES Por lo general se observan picos en el espectro de masas que corresponden a la perdida de moléculas estables pequeñas. La pérdida de una molécula pequeña se nota por el pico de un ion que ha perdido un fragmento con número de masa par. Un radical catión puede perder agua (18), CO (28), CO2 (44) y aun eteno (28) u otros alquenos. El ejemplo más común de la perdida de una molécula pequeña es la perdida de agua de los alcoholes, que sucede tan fácilmente que el ion molecular es débil o está ausente. Sin embargo el pico que corresponde a la perdida de agua (el pico M-18) por lo general es grande. El espectro de masas del 3 metil 1 butanol (figura 11-18) es típico de los alcoholes. El pico en m/z que parece ser el ion molecular, en realidad es el pico M-18. El ion molecular (m/z = 88) no se observa porque pierde agua muy fácilmente. El pico base en m/z = 55 corresponde a la perdida de agua y a un grupo metilo.
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El pico intenso en m/z = 70 en el espectro de masas del 3 metil 1 butanol en realidad es el pico M-18, que corresponde a la perdida de agua. El ion molecular no es visible porque pierde agua con mucha facilidad Además de perder agua los alcoholes tienden a fragmentarse junto al átomo de carbono del carbinol para dar un carbocation estabilizado por resonancia.
4.5. Lectura e interpretación de los espectros de masas
11-8)
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a) Bromo (C6H5Br) b) Yodo (C2H5I) c) Cloro (C4H7) d) Nitrógeno (C7H17N) 11-11) En el 87: ahí perdida de agua En el 111: ruptura de alilo En el 126: ruptura junto al alcohol
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11-16)
Espectro de masas del n-hexano. Hay grupos de iones que corresponden a la perdida de fragmentos con uno, dos, tres y cuatro átomos de carbono.
11-17)
El espectro de masas del 2 metil pentano. El pico base corresponde a la pérdida de un radical propilo para dar un catión isopropilo. a) CH2=C(CH3)COOH b) (CH3)2CHCOCH3 c) PhCH2=N d) PhNHCH2CH3
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APLICACIONES DE LA ESPECTOMETRIA DE MASAS 25 La espectrometría de masas es una poderosa técnica micro analítica que permite determinar con gran precisión la masa de las moléculas. Un espectrómetro de masa mide la relación masa sobre carga (m/z) de moléculas, fragmentos y átomos. El proceso implica: -
La conversión de la muestra de iones de fase gaseosa
-
Separación de los iones basados en su m/z
-
Detección de los iones de cada m/z
Aplicación de los espectros de masas en la biomolecular -
Permite analizar una variedad de especies moleculares (amplio rango de masa, desde pequeños metabolismos a grandes moléculas tales como las proteínas).
-
Permite evaluar mezclas moleculares complejas en células, tejidos u otros tipos de muestra con una alta especificidad
-
Localización simultanea de moléculas
-
Detección de modificaciones post tradicionales
-
Las imágenes de IMS son únicas y se derivan de medidas moleculares directas sin depender de reactivos específicos de un banco
-
Permite mapear la distribución espacial con la exactitud de la masa y la especificidad química ( MALDI TOF TOF)
Aplicaciones de los espectros de masas en la microbiología Microorganismos -
Métodos basados en espectrometría de masas para monitorear nuevos aislados
-
Identificaciones de bacterias de rutina. La velocidad de adquisición de datos de análisis (5 minutos por organismo) permite un alto rendimiento. Los patrones de masas son comparados a perfiles de miles de bacterias lo que permite la identificación de organismos a nivel género, especies y algunas veces al nivel de subespecies
Vertebrados -
25
Estrés relacionado con las condiciones de cultivo
http://es.slideshare.net/helpyouec/la-espectrometra-de-masas-y-sus-aplicaciones-a-la-
biotecnologa-acucola-agrcola-y-ambiental
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Calidad de peces: comprensión de los mecanismos involucrados en el desarrollo de malformaciones esqueléticas de la columna vertebral
-
Efectos de la administración de pro bióticos en las dietas, con los resultados interesantes al nivel de la inmuno estimulación
-
Estudios in vitro e in vivo sobre infecciones en peces cultivados
-
Desarrollo de vacunas
-
Estudios toxicológicos para evaluar las expresiones de proteínas inducidas por los químicos (contaminantes ambientales que afectan el crecimiento, reproducción y salud de los animales)
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Descubrimiento de biomarcadores potenciales para el monitoreo y evaluación de riesgos
Invertebrados -
Herramienta para comprender mejor los mecanismos de respuesta inmune
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Estudiarlos efectos de antibióticos sobre los patrones de expresión de proteínas en la hemolinfa
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Identificación de organismos centinelas como los bivalvos que sor reservorios de muchos contaminantes ( proteomica toxicológica)
Algas -
Estudio de la biología de las micro algas y su respuesta a señales ambientales para comprender los mecanismos que desencadenan el desarrollo de blooms algales peligrosos
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Comprensión del metabolismo para tener aplicaciones biotecnológicas como es la producción de compuestos bioactivos y biocombustible así como su uso en bioremediacion
Industrial o Académica (para procesos de rutina o de investigación) • Campos de aplicación:
Bioquímica-Biotecnología: análisis de proteínas, péptidos, oligonucleótidos Química farmacéutica: descubrimiento de drogas, química combinatoria, Farmacocinética, metabolismo de drogas Espectrometría de Masa - Aplicaciones Farmacocinética, metabolismo de drogas
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Bioquímica clínica: test de drogas Análisis Ambientales: calidad de agua, contaminación de alimentos Geología: composición de hidrocarburos Aplicación de la espectrometría de masas biológicas Desde 1930, MS técnica analítica importante para Biología Estructural • Producción de iones de alto peso molecular en fase gaseosa (macromoléculas
Biológicas) • Desarrollo de técnicas de ionización como FAB, MALDI, ESI • Desarrollo de métodos ultrasensibles para caracterización de proteínas basados en
Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FTIR-MS), límite de Detección de 30 zmol (30x10-21mol) para proteínas de masa molecular 8 – 20 kDa. Utilización de MS: • Determinación precisa de masa molecular de proteínas y ac. Nucleicos, amplio rango de
masas • Secuenciación de péptidos y oligonucleótidos • Identificación de modificaciones post -traduccionales • Cambios estructurales en proteínas, plegamiento y dinámica • Identificación de proteínas (cantidades subpicomolares) de 2D -electroforesis • Identificación de marcado isotópico
Aplicaciones cualitativas Determinación del peso molecular de todas las sustancias que pueden volatilizarse por la posición del pico correspondiente a la masa patrón.
Determinación de la formula molecular. Si el instrumento es de gran resolución bastará la determinación precisa de su masa molecular para poder atribuirle una fórmula empírica. Otras veces puede determinarse por la relación entre las alturas del pico correspondiente a la masa patrón y la de los picos de los isótopos. Existe una tercera forma que sería con la regla del nitrógeno, según la cual todas las sustancias orgánicas con peso molecular par deben de contener un número par o ningún
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átomo de N y los de número impar deben de contener un número impar. Por el contrario los fragmentos moleculares por rotura de enlace, tienen una masa impar si contienen cero o número par de átomos de N y masa par si el número de átomos de N es impar.
Identificación de compuestos por su fragmentación patrón La fragmentación de la mayor parte de las moléculas produce un gran número de picos que permiten la identificación de numerosos compuestos y el reconocimiento de ciertos grupos funcionales de ellos. Se han descrito una serie de reglas generales que rigen los procesos de fragmentación, los cuales son de gran utilidad para la determinación de los espectros.
Identificación de productos de reacción o de productos metabólicos Se usa en cinética química y en farmacología pudiéndose llegar a identificar impurezas y metabolitos a concentraciones de pocas partes por millón. Muchos estudios de farmacocinética se realizan haciendo uso de la espectrometría de masas dada la naturaleza compleja de las matrices (con frecuencia sangre u orina) y la alta sensibilidad requerida para determinar concentraciones extremadamente bajas de analitos. Se utiliza comúnmente un sistema de cromatografía líquida- espectrometría de masas (LC-MS) con sistema de cuadrupolos triple. Un tándem de masas se pude adicionarse para elevar la especificidad. El uso de patrones y estándares internos permite determinar cuantitativamente el fármaco deseado. Puede seguirse entonces la metabolización del fármaco a partir de su suministro al paciente.
Caracterización y análisis de polímeros El polímero se piroliza en condiciones controladas y los productos volátiles se hacen pasar a un espectrómetro para su análisis.
Análisis de sangre Gracias a la rapidez del método, se puede emplear incluso como control durante un proceso quirúrgico. Así se puede determinar a gran velocidad las concentraciones hemáticas de monóxido y dióxido de carbono, oxígeno, nitrógeno, gases anestésicos (como el NO).
Análisis proteómico Con el desarrollo de las técnicas de ionización ESI y MALDI, la espectrometría de masas se ha impuesto desde los años noventa como un método esencial en la caracterización de proteínas, especialmente en la secuenciación o determinación de estructuras primarias. Esta técnica ha sustituido en buena medida a las técnicas de secuenciación de proteínas por vía química. Las técnicas tradicionales tienen una baja eficiencia y no son adecuadas para la secuenciación rápida del creciente número de proteínas obtenidas en los diferentes proyectos de genómica. El procedimiento estándar parte de la hidrólisis enzimática (tripsina, pepsina) de
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la proteína a secuenciar y una separación cromatografía inicial para llegar a mezcla de un pequeño número de péptidos. Los espectrómetros de masa en tándem permiten la separación final y la caracterización de los péptidos, en ellos la mezcla inicial de péptidos puede ionizarse con la técnica ESI. El primer EM separa los iones moleculares de los diferentes péptidos, estos iones se activan vibracionalmente por colisiones y fragmentan. El espectro de masas que se obtiene de cada péptido en el segundo EM permite su identificación. Debido a la simplicidad de la fragmentación es posible utilizar las masas de los fragmentos para la búsqueda en una base de datos de masas para secuencias peptídicas. Finalmente la superposición de los diferentes péptidos, con su abundante información redundante que resulta de los diferentes caminos de la proteólisis, permite obtener la secuencia de aminoácidos o estructura primaria de la proteína.
Estudiar la abundancia de isótopos26 Esta fue la finalidad con la que fue creada la técnica y en la actualidad se usa para análisis por dilución de isótopos, estudios con trazadores isotrópicos, estudiar la edad de las muestra por su proporción de isótopos con la ventaja frente a los radiactivos que se pueden medir los isótopos no radiactivos. La espectrometría de masas permite determinar la composición isotópica de los elementos en una muestra, la que tiene numerosas aplicaciones prácticas. Las diferencias en masa entre los isótopos de un elemento son muy pequeñas y los isótopos menos abundantes son comúnmente muy raros por lo que se requieren instrumentos especialmente sensibles. Estos instrumentos son denominados espectrómetros de masas para la composición isotópica (isotope ratio mass spectrometer IR-MS por sus siglas en inglés). Para especies con masas pequeñas se manifiestan diferencias en las propiedades físicas, químicas y biológicas entre las diferentes composiciones isotópicas como la velocidad de vaporización entre HB2BO y HOD, fijación de CP16POB2B y CP16POP18PO como carbonato de calcio en un foraminífero, etc. La fijación selectiva de COB2B con diferente composición isotópica por parte de organismos vivos depende de la temperatura ambiente. El estudio por EM de materiales fósiles permite el estudio de las condiciones climáticas en tiempos remotos (Paleoclimatología). Un equipo muy especializado se dedica a la determinación del contenido de deuterio en muestras de agua y otros compuestos. La razón isotópica D/H promedio en el agua de los océanos es de 156 ppm pero oscila varias decenas de ppm en las aguas fluviales de acuerdo a su procedencia. Las razones isotópicas en una muestra son una fuente de información valiosa para determinar adulteración o falsificación de vinos u otros productos de alta calidad, establecer la procedencia geográfica de una droga (cocaína, marihuana) y en la detección de alteraciones metabólicas. 26
http://ocw.usal.es/eduCommons/ciencias-biosanitarias/quimica-organica-
ii/contenido/QO_II_Tema01_ocw.pdf
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La técnica IR-MS se aplica también a la determinación de la edad de materiales mediante el llamado fechaje del carbono. La determinación de los tiempos de permanencia a la intemperie o de tiempo de enterramiento de diferentes materiales se basa sobre el hecho de que un objeto enterrado unos pocos metros bajo el suelo, sedimentos, rocas o hielo está protegido de los rayos cósmicos y al ser desplazado a la superficie se expone a dicha radiación. Al ser expuesto se generan los llamados núcleos cosmogénicos como P10PBe, P14PC, P26PAl y P36PCl. Estos núclidos son radiactivos con tiempos de vida medios desde miles hasta millones de años. Las mediciones en espectrómetros de masa especializados, con elevada exactitud, permite encontrar las razones entre los isótopos estables y los radiactivos. La determinación del tiempo de exposición de un material se realiza partiendo de las razones entre los isótopos estables y los radioisótopos. De aquí se deduce la cantidad absoluta de radio-isótopos presentes, la que es proporcional al tiempo de permanencia en la superficie. Si la velocidad de producción de un radio-isótopo es conocida puede determinase entonces el tiempo de exposición del material. La determinación de los tiempos de enterramiento utiliza también a los núclidos cosmogénicos. Si el objeto permaneció un tiempo determinado en la superficie puede estimarse la cantidad inicial de radioisótopos presentes en el material al momento del enterramiento. Posteriormente se produce una disminución de la concentración de los radioisótopos, que sólo depende de los tiempos de vida medios conocidos. Si se dispone de dos concentraciones en tiempos diferentes puede entonces estimarse el tiempo de enterramiento.
Aplicaciones cuantitativas27 Para la determinación cuantitativa de los componentes de una mezcla es conveniente que cada uno de ellos presente por lo menos un pico que difiera claramente de los demás. La calibración se realiza por comparación de los picos con patrones adecuados. Las alturas de los picos son directamente proporcionales a las presiones parciales de los componentes volatilizados en la muestra.
Las aplicaciones cuantitativas de la espectrometría de masas para análisis cuantitativo son de dos tipos: Determinación cuantitativa de especies moleculares o tipos de especies moleculares en muestras orgánicas, biológicas y ocasionalmente inorgánicas Normalmente tales análisis se llevan a cabo haciendo pasar la muestra a través de una columna cromatográfica o de electroforesis capilar y posteriormente por el espectrómetro.
27http://datateca.unad.edu.co/contenidos/401539/exe-
2%20de%20agosto/leccin_33_aplicaciones_de_la_espectrometra_de_masas.html
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Determinación de la concentración de elementos en muestras inorgánicas y, en menor medida, de muestras orgánicas y biológicas: Las concentraciones de analito en este caso se obtienen directamente a partir de las alturas de los picos de los espectros de masas. Se crean curvas de calibrado que nos permiten el análisis cuantitativo gracias a la existencia de picos únicos para cada componente y cada valor de m/z.
