Maestría en Ciencias: Productos Naturales y Alimentos ...
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Maestría en Ciencias: Productos Naturales y Alimentos Métodos Instrumentales Modernos Análisis de espectros de masa Dr. Raúl Salas Coronado 1
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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:
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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
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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).
