Maestría en Ciencias:

Productos Naturales y Alimentos

Métodos Instrumentales Modernos

Análisis de espectros de masa

Dr. Raúl Salas Coronado

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Reacciones de fragmentación de iones

positivos

La terminología y simbolismos utilizados en ésta presentación son los sugeridos por

McLafferty y estos son aceptados universalmente.

Fragmentación de cationes con un número de electrones impar o cationes

radicales (EO•+).

Para la ionización se observa el orden siguiente de pérdida de electrones :

n

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Disociación directa ()

La expulsión de un electrón a partir de un enlace puede traer como consecuencia la

disociación directa. Esto se define como “fragmentación ”. Uno de los fragmentos

conserva la carga mientras que el otro es un radical.

De acuerdo a la Regla de Stevenson, si dos fragmentos están en competencia para producir

un radical neutro por adhesión de un electrón, se producirá el radical con la energía de

ionización más alta. El otro ión, cuyo radical neutro correspondiente que tiene una energía

de ionización más baja, conservará su carga y se observará el fragmento. La reacción puede

considerarse una competencia entre dos cationes para alejar al electrón:

3

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La energía de ionización del radical t-butilo es más baja que la del radical pentilo.

Consecuentemente, en el espectro se observa el ion t-butilo preferentemente.

Ruptura de un enlace adyacente a un

heteroátomo (i)

El enlace adyacente a un heteroátomo puede romperse por una reacción iniciada en el sitio

de carga, que es por atracción de un par de electrones desde este enlace, esta es una ruptura

inducida (i):

Esta ruptura del enlace adyacente al heteroátomo se puede ver como una disociación directa

asistida por una retirada de electrones inductiva debida a la diferencia en electronegatividad,

pero ocurre después de la ionización.

En principio, la Regla de Stevenson todavía se aplica. Por esta regla, la ruptura del enlace

adyacente puede involucrar migración de un radical y retención de carga si la energía de

ionización de •YR’ menor que la de RCH2•. Esta reacción se clasifica como un caso de una

ruptura de enlace y puede escribirse como sigue:

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Radical

Carga

Ruptura del enlace alfa

El enlace alfa al catión radical puede romperse por una reacción iniciada por radical,

producida por una transferencia de un electrón desapareado para formar un nuevo enlace con

el átomo adyacente (átomo ), con una consecuente ruptura del otro enlace de este átomo. El

nuevo enlace compensa energéticamente para la ruptura del enlace. En este caso se habla de

una “fragmentación iniciada por radical”:

Por la Regla de Stevenson, la ruptura del enlace alfa puede involucrar retención del radical y

migración de carga si la energía de ionización de •CH2YR’ es mayor que la de R •. Esta

reacción se clasifica como un caso especial de una ruptura de enlace y se puede escribir

como:

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Radical

Carga

Fragmentación del t-butil etil éter

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Radical

Carga

Carga

Competencia entre rupturas de enlaces

adyacente y alfa

La ruptura del enlace adyacente ocurre más fácilmente si el heteroátomo es un átomo grande.

En el caso de los átomo vecinos, el más electronegativo conduce más fácilmente a la ruptura

del enlace adyacente. La ruptura llega a ser predominante para donadores de electrones. El

orden siguiente ha sido observado:

Consecuentemente los halógenos preferentemente causan la pérdida del radical X a través de

una ruptura del enlace adyacente, mientras que las aminas preferentemente pierden un radical

a través de una ruptura del enlace alfa.

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Ejemplos de ruptura de enlace alfa y adyacente

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En este espectro, la ruptura iniciada

por radical se observa a m/z 59. La

ruptura del enlace con migración de

carga también se observa a m/z 91.

En este espectro, la ruptura de enlace

adyacente iniciada por la carga se

observa a m/z 43. La contraparte de la

reacción de ruptura de enlace

adyacente con retención de carga

también se observa a m/z 47.

Espectros de butilamina y butanotiol

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Fragmentación de cationes radicales con

reordenamientos

Los reordenamientos que pueden ocurrir son muy numerosos y frecuentemente hacer la

interpretación del espectro puede llegar a ser muy difícil. Sin embargo, algunos son

frecuentes, muy específicos y bien entendidos.

El reordenamiento de McLafferty consiste de la transferencia de un átomo de hidrógeno a

un catión radical usando un anillo de seis átomos como un intermediario. El catión radical

que resultante tiene un radical alejado del catión: un catión radical distónico.

El reordenamiento después es seguido ya sea por una fragmentación inducida por radical o

carga, produciendo tanto una molécula neutra y nuevo catión radical. En la ausencia de un

nitrógeno, esos iones tienen una masa par y son fácilmente detectables en el espectro.

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Reordenamiento de McLafferty a través de un

intermediario anular de seis miembros

Reglas de fragmentación de los compuestos

orgánicos

1ª REGLA. “Los enlaces Carbono-Carbono se rompen con preferencia en los puntos de

ramificación”. La carga positiva quedará sobre el catión más estable, siendo la

estabilidad de estos: Terciario > Secundario > Primario > Metilo.

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2ª REGLA. “Los enlaces dobles o sistemas de dobles enlaces (entre ellos los aromáticos) favorecen la escisión de los enlaces arílicos y bencílicos”. La carga positiva quedará normalmente formando un carbocatión arílico o bencílico. En este ultimo caso debemos hacer notar que no es un catión bencilo lo que se forma sino que este sufre un reagrupamiento dando lugar a la formación del ión tropilio (C7H7

+) que es más estable que aquel al ser aromático.

Un caso especial lo constituyen los cicloalquenos pues poseen dos enlaces en posición alílica, sufriendo la fragmentación simultánea de ambos enlaces, es lo que se conoce como reacción de retro Diels-Alder.

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3ª REGLA. “Los heteroátomos, como donadores de electrones, favorecen la

fragmentación de los enlaces del átomo de Carbono que soporta al heteroátomo”.

Debemos considerar dos casos:

Que el heteroátomo esté unido al carbono mediante un enlace simple o que lo esté

mediante un enlace doble.

En el primer caso se podrían romper bien el enlace C-X o el enlace C-C-X, quedando la

carga sobre el fragmento que la estabilice mejor. Si el enlace que se rompe es el del

carbono con el heteroátomo la carga queda preferentemente sobre el átomo de carbono.

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4º REGLA. “Los dobles enlaces y los heteroátomos favorecen, como aceptores de

Hidrógeno, la transposición de un hidrógeno a través de un estado cíclico de transición

de seis miembros” Se conoce como Transposición específica de Hidrógeno o Transposición

de McLafferty”.

La transposición destacan se pone en evidencia por la formación de iones de masa par a

partir de iones moleculares pares y para que se produzca debe existir un átomo de

hidrógeno en posición γ respecto al doble enlace aceptor de hidrógeno.

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Espectros de tres compuestos que tienen la misma masa (150 Da).

Comparación de espectros de aminas, tioles y tioéteres. El espectro de la amina presenta un

ión molecular muy débil. Los tioles y tioéteres tienen iones moleculares que son

relativamente abundantes, seguidos por los picos isotópicos 34S (4%).

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Fragmentación de cationes con número par de

electrones

A través de una ionización electrónica, se forma un catión radical molecular. Este catión radical se fragmenta a un radical y un catión con un número par de electrones o a través de un reordenamiento o múltiples pasos, a una molécula neutra y un nuevo catión radical. Este último es a menudo fácilmente reconocido en el espectro debido a que su masa es par en la ausencia de un átomo de nitrógeno.

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A diferencia de cationes radicales, que se presentan casi exclusivamente en

espectrometría de masas, los cationes son comunes en la química "clásica", y sus

reacciones son mucho más familiares. Estas especies moleculares son

generalmente más estables que los cationes radicales producidos por ionización

de electrones. Desde un punto de vista analítico, los espectros son mucho más

simples. Sin embargo, en comparación con la IE, los reordenamientos son más

frecuentes y más variados.

Las técnicas de ionización suaves tales como FAB, IC, ESI, MALDI, APCI, etc.,

producen especies moleculares con un número par de electrones, frecuentemente

mediante la adición o la abstracción de un protón.

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Los isómeros cis- y trans-1,4-ciclohexanodioles producen espectros de EI idénticos.

En CI, el isómero trans produce un pico para el ion (M+H–H2O)+ que es relativamente más

intenso que para el isómero cis, esto permite distinguir a un isómero del otro.

La diferencia se atribuye a la posibilidad de formar un enlace de hidrógeno intramolecular en

el caso del isómero cis y para asistir la fragmentación y ciclización en el caso del isómero

trans.

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Ejemplo

La producción de un catión radical a partir de un ión con electrones apareados, puede estar

acompañado por un radical producto de la ruptura homolítica de un enlace:

Este proceso es usualmente altamente endotérmico y consecuentemente improbable. Un

estimado estadístico basado en muchos espectros muestra que un ion con electrones

apareados produce fragmentos con electrones apareados en alrededor de un 95% de los

casos.

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Fragmentaciones obedeciendo la regla de

paridad

La ruptura del enlace que es adyacente al sitio cargado, mientras se observa una migración de

la carga, es un proceso fragmentación común que ocurre frecuentemente cuando este permite

la eliminación de una molécula pequeña estable. Por ejemplo, alcoholes protonados en

métodos de ionización suaves pierden agua.

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McLafferty propuso clasificar las reacciones de los iones con pares de electrones

que obedecen a la regla de la paridad (un ion par produce un ion par + fragmento

neutro) de la siguiente manera:

1. Ruptura de un enlace con migración de carga:

2. Ruptura de un enlace con ciclización y migración de carga:

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3. Ruptura de dos enlaces en un ion cíclico con retención de carga:

4. Ruptura de dos enlaces con reordenamiento y retención de carga:

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Las reacciones Tipo 1 y 2 son las más frecuentes en la ausencia de activación por

colisión. El primer tipo ocurre especialmente de manera fácil cuando el sitio protonado es

menos básico, como se muestra para los datos de las moléculas n-butil-XR (PA = afinidad

protónica). Por supuesto, la facilidad con la que se separan esas moléculas desde un

catión orgánico o desde un protón se produce en el mismo orden.

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Esta reacción también es influenciada por la estabilidad del catión que se forma,

como se muestra al comparar los datos siguientes concernientes a varias

butilaminas. Una molécula neutra se pierde más fácilmente cuando el catión

producto es estable. Así, por ejemplo, en ionización química, una trialquilamina

protonada pierde más fácilmente amoniaco que una mono-alquilamina:

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0.4 0.7 2.3

La reacción Tipo 2 es en efecto la misma reacción que se favorece por la

posibilidad de ciclización si hay la presencia de un heteroátomo en una posición

conveniente. Esta última probabilidad también proporciona asistencia

anquimérica para la expulsión de un fragmento neutro. El ejemplo de los

ciclohexan-amino-alcoholes proporciona una buena ilustración. Como se

muestra por los datos siguientes, que ofrecen una aplicación de este principio:

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La presencia de dos heteroátomos complica el mecanismo. De hecho, el acetato de

propilo produce como pico base al ácido acético protonado, mientras que el metilbutirato

produce un pico (RCOOH + H)+ que es difícilmente detectable: el protón se deriva del

fragmento de alcohol. Los experimentos con acetato de propilo etiquetados con con

deuterios en varias posiciones en la cadena de propilo producen los porcentajes

siguientes concernientes al origen del protón durante el rearreglo. Esta distribución

parece ser meramente estadística.

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Note first that compounds containing hydrocarbon chains give rise to a

series of ions distant from each other by 14 Da (–CH2–). The mass where

they appear depends on the group(s) that is (are) linked to them. Entirely

saturated hydrocarbon ions appear at masses 15, 29, 43, 57, 71, 85, 99 Da, and

so on.

Molecules with a benzene nucleus often yield a phenylium ion at m/z 77,

accompanied by a fragment corresponding to acetylene loss at m/z 51. If an

alkyl chain is bonded to the benzene nucleus, ions are observed at m/z 91,

which are a mixture of benzylium and tropylium structures, which produce a

fragment observed at m/z 65 by losing acetylene.

The loss of a hydrogen molecule is observed starting from any ionic species (positive

or negative, open- or closed-shell) every time it brings about an increased conjugation

or aromaticity. It is especially common in the case of cyclic compounds. For example,

the spectrum of tetralin shows an intense ion corresponding to the loss of four

hydrogen atoms.

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Finalmente, el ión a m/z 49 está acompañado por un pico a m/z 51 el cual indica la

presencia de un átomo de cloro. Esto significa una ruptura al cloro, produciendo el ión

CH2=Cl.

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Spectra A Spectra B

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Spectra C

41

Spectra D Spectra E

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Spectra F

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A general analysis method for fatty acids is based on the high-energy tandem mass

spectrometry of carboxylate anions. Indeed, FAB, desorption chemical ionization

(DCI),

ESI or atmospheric pressure chemical ionization (APCI) spectra measured in the

negative mode are characterized by the single presence of molecular ion species and

their isotopic clusters and the absence of fragments.

This characteristic is used to facilitate the determination of the molecular weights

of fatty acids even when they are present in a complex mixture, but it does not

provide information concerning structure.

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The presence of branching on the hydrocarbon chain is indicated by the suppression

of fragmentation at the branching point and by accentuation of fragmentation of the

bond adjacent to the branching on the alkyl side. Thus the spectra of a branched fatty

acid are characterized by a two-methylene ‘hole’, i.e. by two peaks in the series

separated by 28 Th. The CID/MS/MS spectra of two branched fatty acids, show how

easy it is to localize the branching.

Collision-induced dissociation FAB/MS/MS traces of 18-methylnonadecanoic acid

acid, acquired in the negative ion mode at high energy.

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The presence of an unsaturation within a fatty acid is indicated and its position is

established by the absence of fragments derived from cleavages of this unsaturated

bond and the adjacent ones. This corresponds, on the spectrum, to a four-carbon atom

‘hole’, i.e. by two peaks in the series separated by 54 Th

Collision-induced dissociation FAB/MS/MS traces of oleic acid, measured in the

negative mode at high energy.

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An alternative method for the analysis of fatty acids by mass spectrometry is based

on the preparation of picolinic esters. These derivatives allow the GC separation of

fatty acids and their EI spectra display abundant diagnostic fragment ions. These

fragments correspond to C-C bond cleavages all along the hydrocarbon chain. The

proposed mechanism starts with the production by EI of a radical-cation located at

the nitrogen atom. This radical-cation rearranges to yield a distonic radical-cation by

abstraction of a hydrogen atom from the chain.

Electron ionization (25 eV) mass spectra of picolinic esters from iso-octadenoic acid. The

fragment ion at m/z 151 corresponds to a McLafferty rearrangement product.

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Acylglycerols are the fatty acid esters of glycerol.

The EI/MS/MS spectrum of methyl 3,7,11,15-tetramethylhenadecanoate (methyl

phytanate) and the collision-induced dissociation EI/MS/MS spectrum of the molecular

ion (m/z 326) at low energy (5 eV).

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Masses observed in the various fragment spectra of the three deprotonated molecular

ions present in the DCI spectrum of natural cocoa butter (P = palmitic acid, O = oleic

acid, S = stearic acid).

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Desorption chemical ionization (DCI) mass spectrum of natural cocoa butter and

collision-induced dissociation DCI/MS/MS traces of deprotonated molecular ions

of 887 Th (A), 859 Th (B) and 831 Th (C).