L.S. in Scienze e tecnologie alimentari
Anno Accademico 2008/2009
Corso integrato:
Controllo delle modificazioni chimiche negli alimenti (7 CFU)
Modulo di:
Chimica analitica strumentale (4 CFU)
Giorgio Bonaga
43
relative abundance
100
O
H3C
C
CH2CH3
SPETTROMETRIA
DI MASSA
2-butanone
60
20
SPETTRO
MS
29
72
57
(CAS-7d)
20
30
40
50
60
70
80 m/z
Giorgio Bonaga
SPETTRO DI MASSA
”MASS SPECTRUM”
Giorgio Bonaga
RISOLUZIONE
massa approssimata
CO
CH2=N+
N2
C2H4
28
28
28
28
massa esatta
27,9949
28,0047
28,0061
28,0313
Giorgio Bonaga
+ N2
CH2=N
CO
26,00
27,00
C2H4
,97 ,99
,01,03 ,05
28,00
28,00
29,00
m/z
Giorgio Bonaga
M1
DM
M2
H
h
Giorgio Bonaga
Convenzionalmente sono separati quando l'altezza della valle tra i picchi h
non supera il 10% della loro altezza H.
h  10 % H
Il potere risolutivo o risoluzione R viene espresso perciò dalla relazione:
R=
M1
DM
Giorgio Bonaga
Esempio 1
Qual‘é la risoluzione necessaria a separare i frammenti m/z 100
e m/z 101 ?
M1 = 100
M2 = 101
DM = (101-100) = 1
R=
M1
= 100 = 100
1
DM
Giorgio Bonaga
Esempio 2
Qual‘é la risoluzione necessaria a separare i frammenti m/e 500 e m/e 501 ?
M1 = 500
M2 = 501
DM = (501-500) = 1
R=
M1
= 500 = 500
1
DM
Giorgio Bonaga
Esempio 3
Qual‘é la risoluzione necessaria per separare il frammento CO+ dal
frammento N2+ ?
CO+ = 27,9949
N2+ = 28,0061
DM = 0,01124
R=
M1
= 27,9949 = 2490
0,01124
DM
Giorgio Bonaga
Esempio 4
Qual'è la risoluzione necessaria per separare degli ioni di m/e  135 che nelle loro
combinazioni elementari possono differire a livello della terza cifra decimale ?
M = 135
DM = 0,001
R=
M1
= 135 = 135.000
0,001
DM
Giorgio Bonaga
SENSIBILITA’
a) con il ”direct inlet” i campioni vengono introdotti in sorgente e pertanto
l’inerzia del sistema garantisce la massima sensibilità, valutabile sulla base
dell’intensità dello ione a m/z 298 generato da 1 pg (10-12 g) dello stearato di
metile, intensità che dev’essere 100 volte (i = 100) superiore alla linea di base
(”baseline”) dello spettro.
Da due premesse:
• resa in ioni (electron impact) = 1 . 10-6
• flusso molecolare in sorgente = 6 . 108 molecole/sec
si può dedurre:
• resa ionica (ioni/sec) = 1 . 10-6 . 6 . 108 = 6 . 102 = 600
[600 ioni/sec = quantità minima per uno spettro]
All’ingresso dell’EM 600 ioni producono una corrente di I  6 . 10-17 A
Giorgio Bonaga
Esempio 1
Calcolare se 1 pg di stearato di metile fornisce uno spettro di massa
interpretabile.
CH3(CH2) 16COOCH3
[mol wt = 298  300]
1 mole = 6 . 1023molecole
1 pg = 6 . 1023 = 2 . 109 molecole . 1 . 10-6ioni/sec
300 . 1012
= 2 . 103 ioni/sec = 2000 ioni/sec
[2000 ioni/sec > 600 ioni/sec]
Giorgio Bonaga
Esempio 2
Calcolare se 1 pg di tomidina fornisce uno spettro di massa interpretabile.
C50H83NO21
[mol wt = 1034  1000]
1 mole = 6 . 1023molecole
1 pg = 6 . 1023 = 6 . 108 molecole . 1 . 10-6ioni/sec
1000 . 1012
= 6 . 102 ioni/sec = 600 ioni/sec
[600 ioni/sec = 600 ioni/sec]
Giorgio Bonaga
b) quando lo spettrometro è accoppiato ad un sistema di introduzione dinamico
(GC, LC, ecc.), la diminuzione di sensibilità non è prevedibile dal punto di
vista teorico (dato il grande numero di variabili che dipendono da sistemi di
introduzione tutt’altro che inerti), ma può essere determinata mediante
”test” nei quali la sensibilità viene espressa dal rapporto tra il ”segnale”
fornito dagli ioni e il “rumore” dovuto al sistema dinamico (”signal/noise” =
S/N), naturalmente a valori definiti di risoluzione e di velocità di scansione.
In generale, uno spettrometro di massa accoppiato alla GC, con sorgente
EI, con analizzatore magnetico e alla velocità di scansione di 1,5 sec/decade,
fornisce un S/N  10 (i = 10) per lo ione a m/z 298 generato da 100 pg di
stearato di metile (10-10g), cioè con una sensibilità pari ad 1/1.000 (102pg
x101i) rispetto quella che si può avere con l'introduzione diretta in sorgente.
Giorgio Bonaga
abbondanza
(“relative intensity”)
y
x
0
40
80
120
m/z
160
200
Giorgio Bonaga
CONTEGGIO (assegnazione di valori m/z noti)
H2O+
N2+
O2+
Ar+
CO2+
=
=
=
=
=
m/z
m/z
m/z
m/z
m/z
18
28
32
40
44
Giorgio Bonaga
C4 F 9
N
F 9 C4
C 4F 9
mol wt 671
.
+
(F9C4)3N
m/z 671 (NO PEAK !)
+
F 3C
m/z 69
(100%)
+
F 9 C4
F 9 C4 +
N
F 7 C3 C
m/z 219
m/z 414
(60%)
(1,0%)
F 9C4 +
F
N C
F 9 C4
F
m/z 502
(0,6%)
Giorgio Bonaga
m/z 502
(0,6%)
69
F
F
+
N
F
F
C C
C
+
F219C
F
F C
F
F
F
F C
m/z 219
(60%)
F
F
F
F
C
F
F
C
F
F
F
F
C C
C
C F
F F
F x 10
F
414
502
F
F
F
F
F
+
m/z 69
(100%)
+
N
C
F
C
C
F
C
C
C
F
F
F F
C
F
m/z 414 F
F
C
F
F
(1%)
F
Giorgio Bonaga
Mass marker
N
bobina
rotante
100
S
Giorgio Bonaga
Spettro di massa dell’anilina in tre scale di sensibilità
m++ 38,5
(77/2)
m* 45,9
(92  65)
39
m++ 46,5 m* 46,8
(93/2) (93  66)
51
66
77
93
m/z
40
50
m/z
40
50
60
70
90
m/z
40
50
60
70
90
60
70
90
Giorgio Bonaga
PARTICOLARITA’ DELLO SPETTRO
 SPETTROMETRI A BASSA RISOLUZIONE.
es.:
CH3-OH+. = m/z 32
 SPETTROMETRI AD ALTA RISOLUZIONE
es.:
CH3-OH+. = m/z 32,026214
Giorgio Bonaga
1.
2.
IONE MOLECOLARE
IONI MULTIPLI
Giorgio Bonaga
Giorgio Bonaga
Masse e composizioni isotopiche di elementi
comuni nelle molecole organiche
elemento
idrogeno
carbonio
azoto
peso atomico
1,00797
12,01115
14,00670
ossigeno
15,99940
fluoro
18,99840
silicio
fosforo
28,08600
30,97380
nuclidi
massa esatta
%
abbondanza
assoluta
1H
1,007825
2,014102
99,99
0,01
100
0,016
12,000000
13,003354
98,9
1,1
100
1,08
14,003070
15,000108
99,6
0,4
100
0,36
18O
15,994915
17,99916
99,8
0,2
100
0,24
19F
18,998405
100
100
28Si
30Si
27,976929
28,976492
29,973758
92,2
4,7
3,1
100
5,07
3.31
31P
30,973764
100
100
2H
12C
13C
14N
15N
16O
29Si
%
abbondanza
relativa
zolfo
32,45300
32S
33S
34S
cloro
35,45300
35Cl
iodio
cloro
79,90900
126,90400
35,45300
bromo
79,90900
iodio
126,90400
95
0,7
4,2
100
0,78
4,39
34,968851
36,965903
75,5
24,5
100
32,7
81Br
78,918329
80,916344
50,5
45,5
100
97,5
127I
126,904662
100
100
35Cl
34,968851
15,000108
75,5
24,5
100
32,7
81Br
78,918329
17,99916
50,5
45,5
100
97,5
127I
126,904662
100
100
37Cl
bromo
31,972073
32,971463
33,968853
79Br
37Cl
79Br
Giorgio Bonaga
CARBONIO
NH2
CH4
%
100
%
100
16
50
93
50
94
17
m/z
0
10
20
m/z
80
90
100
Giorgio Bonaga
N° atomi di C = % [M+1]
1,1
Giorgio Bonaga
CLORO
L'intensità relativa dei multipletti dovuti ai nuclidi del cloro si ottiene dallo
sviluppo del binomio:
(a+b)n
a = abbondanza relativa del nuclide 35Cl (~ 75%)
b = abbondanza relativa del nuclide 37Cl (~ 25%)
n = numero degli atomi di Cl nel composto
n=1
n=2
n=3
n=4
(0,75+0,25)1 = 3:1
(0,75+0,25)2 = 9:6:1
(0,75+0,25)3 = 27:27:9:1
(0,75+0,25)4 = 81:108:54:12:1
Giorgio Bonaga
H2C CH Cl
%
100
62
27
50
26
m/z
20
64
61
60
Giorgio Bonaga
Cl
%
146
100
Cl
148
50
111
50
m/z
50
75
113
100
150
150
Giorgio Bonaga
CHC l
%
100
118 120
83 85
50
35
m/z
3
122
87
37
50
124
100
Giorgio Bonaga
CCl 4
%
100
154
152
119
117 121
50
35
37
m/z
156
158
160
123
50
100
150
Giorgio Bonaga
BROMO
L'intensità dei multipletti dovuti ai nuclidi del bromo si ottiene dallo
sviluppo del binomio:
(c+d)m
c = abbondanza relativa del nuclide 79Br (50,5%)
d = abbondanza relativa del nuclide 81Br (49,5%)
m = numero degli atomi di Br nel composto
n = 1 (0,5+0,5)1 = 1:1
n = 2 (0,5+0,5)2 = 1:2:1
n = 3 (0,5+0,5)3 = 1:3:3:1
n = 4 (0,5+0,5)4 = 1:4:4:6:1
Giorgio Bonaga
H2C CH Br
%
100
50
106
27
26
m/z
108
20
79 81
60
100
Giorgio Bonaga
Br
%
236
100
50
m/z
Br
234
238
155 157
150
200
250
Giorgio Bonaga
CHBr 3
%
173
100
175
50
171
252 254
250
256
m/z
150
200
250
Giorgio Bonaga
CLORO E BROMO
In una molecola che contiene atomi di cloro e di bromo, la combinazione e la
distribuzione isotopica negli ioni si ottiene dalla risoluzione del prodotto dei
binomi relativi al cloro (a e b) presente in n atomi e al bromo (c e d) presente
in m atomi:
(a+b)n . (c+d)m
Giorgio Bonaga
Br Br
Cl Cl
HC CH
CH Br
CH
Cl
Cl
%
100
Br
256
254
50
258
260
262
m/z
250
270
Giorgio Bonaga
35 Cl35 Cl79 Br79 Br
= 9 m/z = 254
35 Cl35 Cl79 Br81 Br
= 18 m/z = 256
35 Cl35 Cl81 Br81 Br
= 9 m/z = 258
35 Cl37 Cl79 Br79 Br
= 6 m/z = 256
35 Cl37 Cl79 Br81 Br
= 12 m/z = 258
35 Cl37 Cl81 Br81 Br
= 6 m/z = 260
37 Cl37 Cl79 Br79 Br
= 1 m/z = 258
37 Cl37 Cl79 Br81 Br
= 2 m/z = 260
37 Cl37 Cl81Br81 Br
= 1 m/z = 262
m/z 254 = 9%
m/z 256 = (18+6) = 24%
m/z 258 = (9+12+1) = 22%
m/z 260 = (6+2) = 8%
m/z 262 = 1%
Gli ioni a m/z 255, 257, 259, 261 e 263 (appena percettibili) sono picchi
isotopici del 13C.
Giorgio Bonaga
CH 3
%
100
CH 2
29
27
SH
62
47
50
25
15
m/z
20
45
64
60
Giorgio Bonaga
3. IONI METASTABILI
SORGENTE
MAGNETE
*
+
+
+
+ +
+
*
++
C
A B
D
tratto privo
di campi
campo
elettrico
campo
magnetico
Giorgio Bonaga
Il risultato è che questo ione viene rivelato e registrato ad un valore m/z
inferiore a quello che gli competerebbe. Si tratta perciò di una transizione
metastabile:
m1+
*

m2+
+
pn
che produce uno ione metastabile m*, la cui posizione nello spettro è data
dalla relazione:
m* = [m2+]2/m1+
Questa relazione è la conseguenza stessa delle equazioni fondamentali della
MS magnetica:
zV = mv2/2 (25)
mv2/r = Hzv (26)
Giorgio Bonaga
Applicando la (25) allo ione-padre m1+ si ha:
zV = m1v12/2
da cui:
v1 =
2 zV
m1
(27)
Nella zona priva di campo lo ione-figlio m2+, che si forma per la transizione
metastabile, viaggia verso il settore magnetico con la stessa velocità v1 dello
ione-padre m1+; esso subirà pertanto una deflessione magnetica deducibile
dalla (26) :
m2v12/r = Hzv1
m2v1 = Hzr
Sostituendo a v1 il valore trovato con la (27):
Giorgio Bonaga
m2
2 zV
m1
= Hzr
elevando tutto al quadrato:
m22 . 2 zV = H2z2r2
m1
da cui:
m22 / m1 = H2r2
z
2V
Giorgio Bonaga
Esempio 1: anilina (mol wt 93)
• in sorgente:
picco nello spettro:
M+e
+
M.
M
+.
+ 2e
[M - HCN]
• nel tratto BC:
M+.
[M - HCN]
+.
+.
m/z 93
m/z 66
picco nello spettro:
m/z 46,8
m* = 662 = 46,8
93
Giorgio Bonaga
Esempio 2: acetofenone (mol wt 120)
• in sorgente:
M+e
+.
M
[M - 15] +
• nel tratto BC
[M - 15]+
M
+
.
+ 2e
[M - 15] +
[M - 15 - CO] +
[M - 15 - CO] +
picco nello spettro:
m/z 120
m/z 105
m/z 77
picco nello spettro
m/z 56,5
m* = 772 = 56,5
105
Giorgio Bonaga
4. IONI A CARICA MULTIPLA
M + e  M++ + 3e (poco probabile)
M + e  M+++ + 4e (molto improbabile)
Giorgio Bonaga
Esempio 1: anilina
NH2
+
+NH2
+
NH2
+
NH2
+
+
NH2
+
+
mol wt 93
m/z 46,5
Esempio 2: fenolo
OH
+
+OH
+
+
OH
+
OH
OH
+
+
+
mol wt 94
m/z 47
Esempio 3: aldeide benzoica
O
C
H
+
+O
C
H
+
O
C
H
+
mol wt 106
+
O
C
+
m/z 53
H
+
O
C
H
+
Giorgio Bonaga
5. FRAMMENTI CARATTERISTICI
OSSIGENO
M-18 : perdita di
M-28 : perdita di
M-31 : perdita di
M-45 : perdita di
M-59 : perdita di
. H2O
. CO
. OCH3
. COOH
. COOCH3
AZOTO
M-27 : perdita di HCN
M-16 : perdita di . NH2 (ammidi)
Giorgio Bonaga
6.
CALCOLO DELLE INSATURAZIONI E/O
DEGLI ANELLI
CxHyNzOn
C
H
N
O
elementi tetravalenti (carbonio, silicio)
elementi monovalenti (idrogeno, alogeni)
elementi trivalenti (azoto, fosforo)
elementi bivalenti (zolfo)
n° insat. e/o anelli = x - 1 y + 1 z + 1
2
2
Giorgio Bonaga
Esempio 1: nitrobenzene C6H5NO2
6 - 1 5 + 1 1 + 1 = 5 (4 insaturazioni + 1 anello)
2
2
O + O
N
Esempio 2: 4-(1-propen-1-il)acetofenone C11H12O2
11 - 1 12 + 1 = 6
2
(5 insaturazioni + 1 anello)
O
C
CH3
CH CH CH3
Giorgio Bonaga
INTERPRETAZIONE
DELLO SPETTRO
”MASS SPECTRUM
INTERPRETATION”
Giorgio Bonaga
E = Et + Eel
E  IE
E >> IE
Giorgio Bonaga
ABBONDANZA DI M+
100-50 %
Idrocarburi aromatici
Eterociclici aromatici
Cicloalcani
R-SH
R-S-R
Ar-F
Ar-Cl
Ar-CN
50-10 %
Alcheni
Ammidi
Chetoni
Aldeidi
Eteri
Ar-Br
Ar-I
Ar-CO-R
.
10-0 %
Alcani
Esteri
Alogenuri alchilici
Alcoli alifatici
Nitrili alifatici
Giorgio Bonaga
SIMBOLOGIA DELLE SPECIE CHIMICHE
[ep]
= molecola neutra ad elettroni pari
[ed] +. = radicale-ione ad elettroni dispari
[ed] .
= radicale ad elettroni dispari
[ep] + = ione ad elettroni pari
Giorgio Bonaga
1. REAZIONE DI IONIZZAZIONE
.
[ep] + e  [ed] + + 2e
[ep] + e  [ed] + + + 3e
.
.
([ed] + = M + )
([ed] + + = M + +)
2. REAZIONI DI DECOMPOSIZIONE PRIMARIA
.
.
[ed] + 
.
a.
[ed] +  [ep] + + [ed]
b.
[ed ] + + [ep]
.
reazione di scissione
reazione di trasposizione
3. REAZIONI DI DECOMPOSIZIONE SECONDARIA
c.
[ed] + .  [ep] + + [ed] .
d.
[ed] + .  [ed] + . + [ep]
e.
[ep] +  [ep] + + [ep]
f.
reazione di scissione
reazione di trasposizione
[ep] +  [ed ] + . + [ed] .
4. REAZIONI IONE-MOLECOLA
g.
h.
[ed] + . + [ep]  [ep] + + [ed] .
[ed] + . + [ed] .  [ep] + + [ep]
Giorgio Bonaga
AE - IE = Eatt
Giorgio Bonaga
PROBABILITÀ DI FORMAZIONE DEGLI
IONI IN TERMINI ENERGETICI (70 eV)
reazioni di I^ ionizzazione > reazioni di trasposizione >
reazioni di scissione > reazioni di II^ ionizzazione
Giorgio Bonaga
16
[M-1] +
m/z 78
14
12
10
[M] +
8
.
ione della scissione
N
+
C -H
.
+
m/z 79
ione
molecolare
N
6
++
[M] + +
4
2
m/z 39,5
N
ione a doppia
carica
(x 10)
0
eV
Giorgio Bonaga
PROBABILITÀ REALE DI FORMAZIONE
DEGLI IONI (70 eV)
reazioni di I^ ionizzazione > reazioni di scissione >
reazioni di trasposizione > reazioni di II^ ionizzazione
Giorgio Bonaga
numero
di ioni
.
M.
+
10,0
M - OH
12,5
+
.
M - OH - CO +
15,0
17,5
eV
Giorgio Bonaga
%
105
100
122
77
51
50
0
0
50
100
150
m/e
Giorgio Bonaga
1.
vm > 10-5 sec: M+ arriva al collettore ed è
visibile nello spettro di massa
2.
vm = 10-5-10-6 sec: M+ si decompone lungo il
percorso e forma m*
3.
vm < 10-6 sec: M+ si decompone in sorgente e
forma m+
Giorgio Bonaga
O
C
.
+
H
+O
-H
.
OH
H
m/z 105
.
CH2
.
+
m/z 76
.
m/z 106
O
- H2O
m/z 94
C
- CH3
m/z 106
+
.
+
CH3
OCH3
C
m/z 91
.
.
+
- OCOCH3
m/z 136
+
+
m/z 77
Giorgio Bonaga
Giorgio Bonaga
Frammenti neutri espulsi dallo ione molecolare
m/z
Gruppo
associabile
Deduzioni strutturali possibili
M-1
H
aldeidi
M-2
H2
-
da M-3 a M-13 frammenti di massa non attendibili
M-14
- CH2 -
serie omologa
M-15
CH3
composti contenenti sostituenti -CH3
M-16
O
nitrobenzeni, solfossidi
M-16
NH2
arilsolfonammidi, carbossiammidi
M-17
OH
composti contenenti sostituenti -OH
M-17
NH3
-
M-18
H2 O
alcoli, aldeidi, chetoni, ecc.
Giorgio Bonaga
M-19
F
fluoruri
M-20
HF
fluoruri
da M-21 a M-25 frammenti di massa non attendibili
M-26
C2H2
idrocarburi aromatici
M-27
HCN
nitrili aromatici, eterociclici azotati
M-28
CO
carbonili, chinoni
M-28
C2H4
esteri etilici, n-propil chetoni
M-29
C2H5
etil chetoni, n-propil benzeni
M-29
CHO
-
M-30
C2H6
-
M-30
CH2O
esteri metilici aromatici
M-30
NO
nitrobenzeni
M-31
CH3O
esteri metilici
M-32
CH3OH
esteri metilici
Giorgio Bonaga
M-32
S
-
M-33
H2O + CH3
-
M-33
HS -
tioli
M-34
H2 S
tioli
da M-35 a M-40 frammenti di massa non attendibili
M-41
C3H5
esteri propilici
M-42
CH2CO
metil chetoni, acetati aromatici,
acetilammine aromatiche
M-42
C3H6
n- e iso-butil chetoni, propileteri aromatici,
n-butil benzeni
M-43
C3H7
propil chetoni, n-butil benzeni
M-43
CH3CO
metil chetoni
M-44
CO2
anidridi, esteri (riarrangiamento)
M-44
C3H8
-
M-45
COOH
acidi carbossilici
Giorgio Bonaga
M-45
C2H5O
esteri etilici
M-46
C2H5OH
esteri etilici
M-46
NO2
nitrobenzeni
da M-47 a M-54 frammenti di massa non attendibili
M-55
C4H7
esteri butilici
M-56
C4H8
n- e iso-amilbenzeni, n- e iso-butossibenzeni,
amil chetoni
M-57
C4H9
butil chetoni
M-57
C2H5CO
etil chetoni
M-58
C4H10
-
M-59
CH3COO
esteri
M-60
CH3COOH
acetati
Giorgio Bonaga
Serie di frammenti neutri
Masse
Formula
Deduzioni strutturali
1 29 43
.CnH2n + 1
.CH3, .OCH3, .COOCH3
.H, .CHO, .CH2CHO
28 42 56
CO, CH2CO, 2CO
chetoni ciclici
18 36 46
H2O, 2H2O, H2O+C2H4
alcoli primari
1 15 29 43
15 31 59
alcani ramificati
esteri metilici
aldeidi
16 44
.NH2, .CONH2
ammidi
16 30 44
O, NO, NO2
nitroderivati
1 17 45
19 33 50
33 36 63
32 33 47
.H, .OH, .COOH
.F, .CH2F, .CF2
.Cl, HCl, .CH2CH2Cl
S, HS., CH2S .
acidi carbossilici
organofluorurati
cloroderivati
solfoderivati
Giorgio Bonaga
Serie di frammenti carichi
m/z
Formula
Deduzioni strutturali
15 29 43 57 71 85 99 113
CnH2n + 1
alcani
27 41 55 69 83 97
CnH2n - 1
alcheni, cicloalcani
39 53 67 81 95 109
CnH2n - 3
alchini, dieni
31 45 59 73 87 101
CnH2n + 1O
alcoli, eteri
30 44 58 72 86 100
CnH2n + 2N
ammine alifatiche
44 58 72 86 100
CnH2n + 2NCO
ammidi, urea
29 43 57 71 85 99
CnH2n + 1CO
composti carbonilici
saturi
61 75 89 103 117
CnH2n + 1O2
esteri carbossilici
63 77 91 105 119 133
C6H5CnH2n
fenilalchili
Giorgio Bonaga
Ioni frammento più comuni
m/z
Formula
Deduzioni strutturali
15
CH3 +
-
18
H2 O + .
-
19 – 25 ioni frammento di massanon significativa
26
27
28
29
30
31
C2H2+ .
C2H3 + .
CO + ., C2H4+ ., N2+ .
CHO + ., C2H5 +
CH2=NH2 +
CH2=OH +
-
ammine primarie ?
alcol primari ?
32 – 35 ioni frammento di massa non significativa
36/38 (3:1)
HCl + .
-
39
C3H3 +
-
40
Ar + ., C2H4 + .
-
Giorgio Bonaga
C2H5 +
41
42
C2H2O + ., C3H6 + .
-
43
CH3 CO +
CH3 COX
43
C3H7+
C3H7X
44
C2H6 N +
alcune ammine alifatiche
44
O=C=NH2 +
ammidi primarie
CO2 + . ,C2H8 + .
44
-
44
CH2=CH(OH) + .
alcune aldeidi
45
CH2=OCH3 +
CH3CH=OH +
alcuni eteri e alcol
46 ione frammento di massa non significativa
CH2 =SH +
47
49/51(3:1)
50
51
CH2Cl +
C4H2 + .
C4H3 + .
tioli alifatici
composti aromatici
C6H5 X
52-54 ioni frammento di massa non significativa
Giorgio Bonaga
55
56
C4H7+
-
C4H8 + .
-
57
C4H9 +
C4H9 X
57
C2H5CO +
etil chetone, esteri
dell’acido propionico
58
CH2=C(OH) CH3
+
.
alcuni metil chetoni
alcuni dialchil chetoni
58
C3H8N +
alcune ammine alifatiche
59
COOCH3 +
esteri metilici
59
59
59
60
61
61
CH2 =C(OH)NH2 + .
C2H5CH=OH
+
CH2=O-C2H5 +
CH2=C(OH)OH + .
CH2CH2SH
+
CH3CO(OH2 ) +
alcune ammidi primarie
C2H5CH(OH)-X
alcuni eteri
alcuni acidi carbossilici
tioli alifatici
CH3 COOCnH2n+1
62-65 ioni frammento di massa non significativa
Giorgio Bonaga
66
H2 S 2 +
dialchil disolfuri
68
CH2CH2CH2CN +
-
69
CF3 +
-
69
C5H9 +
-
70
C5H10 + .
71
C5H11 +
C5H11X
71
C3H7 CO +
72
CH2=C(OH) C2H5 + .
propil chetone
esteri dell’acido butirrico
72
C3H7 CH=NH2+
alcune ammine
73
C4H9 O +
-
73
COOC2H5 +
esteri etilici
73
(CH3)3Si
-
+
alcuni etil alchil chetoni
(CH3)3SiX
74
CH2=C(OH)OCH3 + .
alcuni esteri metilici
75
(CH3)3Si=OH +
(CH3)3SiOX
75
C2H5 CO(OH2 ) +
C2H5 COOCnH2n+1
Giorgio Bonaga
C6H5X
XC6H4Y
.
76
C6H4
77
C6H5 +
+
C6H5X
78
C6H6 + .
79
C6H7 +
C6H5X
79/81 (1:1)
Br +
-
80/82 (1:1)
C6H5X
HBr + .
CH2X
80
C5H6N +
N
N
CH2 X
H
CH2X
81
C5H5O +
83/85/87
CHCl2 +
CHCl3
85
C6H13 +
C6H13X
85
C4H9 CO +
C4H9 COX
85
O
+
O
O
X
Giorgio Bonaga
85
O
+
O
X
O
O
86
CH2=C(OH) C3H7 + .
alcuni propil alchil chetoni
86
C4H9 CH=NH2 +
alcune ammine
+
OH
C H2 CH C OCH3
87
XCH2CH2COOCH3
88-90 ioni frammento di massa non significativa
91
C7H7 +
92
C7H8 + .
92
C6H6 N +
91/93 (3:1)
93/95 (1:1)
Cl
+
CH2Br +
C6H5 CH2X
C6H5 CH2 alchil
CH2X
N
n-alchil cloruri (> esil)
-
Giorgio Bonaga
+
C
94
95
C
O
N
N
H
H
C
+
O
C
O
95
97
C5H5S +
H3C
O
CH2X
S
+
O
O
O
O
+
X
CH2X
O
99
O
X
O
C6H7O +
99
O
O
X
O
O
105
C6H5CO +
C6H5COX
105
C8H9 +
CH3-C6H4CH2X
Giorgio Bonaga
CH2X
H3C
106
C7H8N +
107
C7H7O +
107/109 (1:1)
C2H4Br +
N
CH2X
HO
-
+
111
C O
C O X
S
S
121
C8H9O +
122
123
C6H5COOH +
C6H5COOH2 +
alchil benzoati
127
I+
-
128
HI +
-
135/137 (1:1)
Br
+
CH2X
CH3O
n-alchil bromuri
Giorgio Bonaga
CH2X
N
130
C9H8N +
141
CH2I +
+
(CH3)2Si O Si(CH3)3
147
H
-
O
C
149
+
OH
C
dialchil ftalati
O
160
C10H10NO
+
CH3O
CH2X
N
H
CH3O
190
C11H12NO2 +
CH2X
CH3O
N
H
Esempio A: n-nonano (mol wt = 128)
29
CH 3
15
CH2
85
57
CH2
43
CH2
CH2
71
CH 2
113
CH 2
99
CH 2
CH 3
128
serie di frammenti carichi: 15, 29, 43, 57, 71, 85, 99, 113
serie di frammenti neutri: 113, 99, 85, 71, 57, 43, 29, 15
Giorgio Bonaga
Esempio B: 1-nonene (mol wt = 126)
27
CH
CH2
83
55
CH2
41
CH2
CH2
69
CH2
111
CH2
97
CH2
CH3
126
serie di frammenti carichi: 27, 41, 55, 69, 83, 97, 111
serie di frammenti neutri: 99, 85, 71, 57, 43, 29, 15
Giorgio Bonaga
Esempio C: 1-nonino (mol wt = 124)
C
HC
53
81
CH2
109
CH2
CH2
CH2
CH2
39
67
CH2
95
CH3
124
serie di frammenti carichi: 39, 53, 67, 81, 95, 109
serie di frammenti neutri: 85, 71, 57, 43, 29, 15
Giorgio Bonaga
Esempio D: 1-eptilammina (mol wt = 115)
H2N
CH2
30
44
CH2
CH2
58
72
CH2
CH2
86
100
CH2
CH3
115
serie di frammenti carichi: 30, 44, 58, 72, 86, 100
serie di frammenti neutri: 85, 71, 57, 43, 29, 15
Giorgio Bonaga
Esempio E: n-capronammide (mol wt = 115)
72
NH2
100
44
CH2
CH2
C
O
CH2
CH2
CH3
58
86
115
serie di frammenti carichi:
serie di frammenti neutri:
44, 58, 72, 86, 100
71, 57, 43, 29, 15
Giorgio Bonaga
Esempio F: 1-eptanolo (mol wt = 116)
HO
CH2
31
45
73
101
CH2
CH2
CH2
CH2
59
CH2
87
CH3
116
serie di frammenti carichi: 31, 45, 59, 73, 87, 101
serie di frammenti neutri: 85, 71, 57, 43, 29, 15
Giorgio Bonaga
Giorgio Bonaga
Esempio G: 1-fenilpentano (mol wt = 148)
105
CH2
CH2
CH2
91
119
trasposizione
+
m/z 91
(ione tropilio)
133
CH2
- CH
2
CH3
148
+
m/z 77
- CH2
- C2H 2
C5 H3+
m/z 63
C4H 3+
m/z 51
serie di frammenti carichi: 51, 63, 77, 91, 105, 119, 133
serie di frammenti neutri: (26),(14), 71, 57, 43, 29, 15
Esempio H: S-metil-1-tiociclopentano (mol wt = 116)
59
H
45 H
H
H
101
S
C H3
116
H
H
73 H
H
H
87
serie di frammenti carichi: 45, 59, 73, 87, 101
serie di frammenti neutri: 14, 14, 14, 14, 15
Giorgio Bonaga
1. EFFETTO INDUTTIVO
Giorgio Bonaga
 2,2-dimetilbutano (mol wt 86)
CH3
+
.
+I
H3C C
CH2 CH3
CH3
a)
b)
.
CH
3
H3C C .
CH3
CH3
+
+ CH CH
2
3
.
H3C C + + CH2 CH3
CH3
 n- propilcloruro (mol wt 58)
-I
CH3
CH2
CH2
Cl
+
.
 metiletiletere (mol wt 74)
CH3
CH2
CH2
-I
O CH3
CH3
+
.
CH3
CH2
CH2
+
.
CH2 + Cl
+
CH2
.
+ O CH3
2. COMPARTECIPAZIONE DI ELETTRONI VICINI
 propilammina (mol wt 59)
+
CH2
CH2
.
CH3
NH2
CH3
.
CH2
.
OH
+
CH2
CH2
CH3
.
CH2 + CH2
.+
CH2
CH2
+
OH
ione "ossonio"
 propantiolo (mol wt 76)
CH3
+ CH2 NH2
ione "immonio"
 n-propanolo (mol wt 60)
CH3
+
SH
CH3
.
CH2 + CH2
+
SH
ione "solfonio"
 3-amminopropanolo (mol wr 75)
.
+
CH2 OH + CH2 CH2 NH2
.+
a)
CH2
OH
m/z 31
CH2
CH2
NH2
b)
CH2
+
.
NH2 + CH2 CH2 OH
m/z 30
Giorgio Bonaga
Giorgio Bonaga
3. EFFETTO DI RISONANZA
a)
.
+
CH2
CH CH2
CH3
CH2
b)
C H2
.
+
 1-butene (mol wt 56)
+
CH CH2
+
CH2 CH CH2
CH2
CH + CH2
CH3
+
.
+
CH2 CH
CH2
CH CH2 + CH3
 etilbenzene (mol wt 58)
CH3
CH2
+
.
.
CH3
+
CH2
+
ione "benzile"
+
ione "tropilio"
 propanone (mol wt 58)
CH3
CH3
C O
+
.
CH3
CH3
+
C O + . CH3
+
C O
ione "acilio"
Giorgio Bonaga
a) Reazioni di scissione
.+
S 1)
C X
S 2)
+
C C C
+
.
S 3)
S 4)
S5)
S6)
S7)
C C C C
R
C+
+
.X
C C
+
C C C
C
+
.
.
H
R
'
R C
+
+
R' C X + R
+
.
R' C X
H
C+
Y
C
+
.
+
.
C
Rotture multiple
R' C
Y
+
+
+
.
+
R
.
C
C
Giorgio Bonaga
Giorgio Bonaga
S1 = rottura alchilica
+
.
C X
C+
.X
+
S2 = rottura olefinica
C+
C C C+
+
C C
Esempio
H H H
C 7H15
C C C Cl
.
+
S1
H H H
cloruro di n-decile
.Cl
H H H
+ C 7H15 C C C +
H H H
ione n-decile
S2
H
C 7H15
C+
H
+
H
ione n-ottile
H
C
C
H
H
acetilene
S3 = rottura allilica o benzilica
Esempio
+
.
Cl
+
CH2
CH2
S3
. Cl
cloruro di benzile
H H H
C 7H15
C C C Cl
H
cloruro di 2-decenile
+
.
S3
+
+
ione benzile
. Cl
ione tropilio
H H H
+ C 7H15 C C C +
C 7H15
H
H H H
C C C
H
ione eptilallile
Giorgio Bonaga
S4 = rottura in a all’eteroatomo saturo
Esempio
CH3
C 4H9
C
+
.
Br
S4
CH3 . +
H
C 4H9
C
+
Br
H
ione pentilbromonio
2-bromoesano
S5 = rottura in a all’eteroatomo insaturo
Esempio
O
CH3CH2
C
CH2CH3
3-butanone
+
.
S5
+
.
CH3CH2 C O + CH2CH3
ione acilio
S2
..
.
+
CH3CH2 + . C O..
Giorgio Bonaga
S6 = rottura di retro Diels-Alder
Esempio
H3C
H3C
C
C
C
C
CH3
+
.
CH3
1,2,4,5-tetrametilcicloesene
S6
H3C
C
C
+
.
+
H3C
2,3-dimetil-1,3-butadiene
C CH3
C
CH3
2-butene
Giorgio Bonaga
S7 = rotture multiple
Esempio
+
+
.
S7
.
+
S7
+
.
cicloesano
+
m/z 91
S7
C 2H2
+
+ C 5H5
m/z 65
S7
C 2H2
+
+ C 3H3
m/z 39
ione tropilio
Giorgio Bonaga
b) Reazioni di scissione con trasposizione di H
SH1)
SH2)
SH3)
SH4)
(C)n
C
C
H
C
+
.
C X
(C)n
C H
Y
+
.
+
C
.
C
+
B
C
D R
C
C
C
A
H
+
C
H
C
X
C
+
.
B
Y
+
.
X
+
.
+
A
HX
D R
H
a) CnH2n+1-X=CH2
CnH2n + HX=CH2
b) CnH2n+1-HC=X
CnH2n + H2C=X
Giorgio Bonaga
.
X+
X+
.
SH5)
SH6)
SH7)
X+
.
.
.
+
R X H
C
X+
R
C
+
X H
.
+ C
C
a) in ioni a 2 eteroatomi
Doppia trasposizione di H
b) rottura g
Giorgio Bonaga
TRASPOSIZIONI DI IDROGENO
SH1 = trasposizione alcolica
Esempio
H
H C
OH
(CH2 )n
H C
H
H
H
+
.
SH1
+
H C
OH
( CH2 )n H
H C
H
.
H
H C+
( CH2 )n + H2O
H C
.
H
Giorgio Bonaga
SH2 = trasposizione di McLafferty
Esempio
H3C g
H
H C
.O+
CH2
H C
HH
H
C
C
CH2
H
S H2
CH2
H
m/z 128
H
C
CH2
CH3
H
O+
C
H
+
CH2
H C
H C CH2
g
H H
.
m/z 86
S H2
O+
C
H C
H H
CH2 +
.
CH2
CH2
m/z 58
4-ottanone (mol wt 128)
Giorgio Bonaga
SH3 = effetto orto
Esempio
O
C
H
O
.
O
S H3
.
H
O
C + CH3
+ CH3
O
.
O
C
O
H
O
.
O
+ CH3OH
+ CH
3
C
O
.
+
+
O
salicilato di metile
O
H
O
+
C C O CH
3
C
H
O H
.
S H3
H
H
C
C
C +
H
O CH3
O
.
H
H
.
O
C +
O CH3
C
C
O
H
H
H
C
C
C O
+ CH3OH
O
Giorgio Bonaga
Giorgio Bonaga
SH4 = trasposizioni secondarie
Esempio
H
H
H
H
C
H
C N CH2 CH3
O CH3
H
C
.+
H
H
C N CH2 CH3
CH3
O
C
H
+
C N CH2 +
O CH3
etilmetilacetilammide
H
H
C CH2 CH2
F
3
S H4
CH
H
. CH
H
H
H
C CH2 CH2
.+
F
C
2
H
H
O
+
H
CH3
+
N CH2
H
+
C CH2 CH F
fluoruro di propile
+
S H4
CH2
CH2
+ CH2
+
F
.H
SH5 = migrazione del centro radicalico
Esempio
+.
O
CH2
CH2
C
+
O
CH2
CH2
CH2
CH2
C
+
O
CH2
CH2
S H5
CH
CH2
C
H
.
. CH2
CH
CH2
CH2
ciclopentanone
O
C
CH3
CH2
+
(mol wt 84)
O
CH
C
CH2
+
CH3
.
CH2
m/z 55
Giorgio Bonaga
SH6 = trasposizione in b all’eteroatomo
Esempio
CH3
CH2
CH2
+
H
O
.
CH2
C
CH3
CH2
CH2
+ H
.
O
+ O C CH2
O
ione propilacetato
Giorgio Bonaga
SH7 = trasposizione doppia
Esempio
H C
H
.
.
H
CH
O
H
C H2 C
CH2 CH2 CH3
O
CH2
+
+
H O
O
C
+
CH2 CH2 CH3
radical-ione etilbutirrato
H C
H
H
CH2 H
C
H
g H
H
H C
.
O
+
C
H
CH2
CH3
radical-ione 3-esanone
CH2
b
.
C
H
O +
C
CH2
CH3
O+
C
CH2
CH
CH2
+
CH3
CH3
.
CH2
H
Giorgio Bonaga
Esempio 1: trans-stilbene ossido (mol wt 196)
167
100
50
.
77 89
51
105
152
+
M
196
150
200
0
50
100
m/z
Lo ione a m/z 167 si origina dalla seguente trasposizione strutturale:
.
H
+
O
C
C
H
H
C
+
+
.
H C O
Giorgio Bonaga
Esempio 2: dimetilcarbonato (mol wt 90)
Lo ione molecolare a m/z 90 perde un radicale idrogeno per formare lo ione
a elettroni pari a m/z 89 che, attraverso un intermedio a quattro membri
subisce una trasposizione strutturale con perdita della molecola neutra di
CO2 e formazione dello ione a m/z 45.
H
CH3
H C O
H
C
O
O
m/z 90
+
.
- H.
CH2
O
+
O
CH3
C
O
m/z 89
CH2
+
O CH3 + CO 2
m/z 45
Giorgio Bonaga
Giorgio Bonaga
Esempio 3: difeniletere (mol wt 170)
M
.
+
170
100
51
50
77
141
142
0
50
100
150
200
m/z
Lo ione molecolare a m/z 170 subisce un riassestamento interno con
mutamento della posizione degli atomi di H (“hydrogen scrambling”), poi
avviene l’espulsione di C=O con formazione dello ione a m/z 142
(benzociclo-eptatriene) e successivamente la perdita di un radicale H forma lo
ione a m/z 141 (benzotropilio).
.+
O
.
+
O
+
m/z 170
.
+ C O
m/z 142
+
- C 5 H4
m/z 77
+
-H.
+.
m/z 141
ione benzotropilio
Giorgio Bonaga
Esempio
L’equazione multivettoriale applicata ad uno spettro che fornisce la
seguente lista delle masse (”mass list”):
m/z
%
102
2
73
55
59
100
55
80
43
30
31
38
può essere scritta con il seguente algoritmo:
102x2/100+73x55/100+59x100/100+55x80/100+43x30/100+31x38/100= 167,87
Per identificare il composto incognito con modalità analogiche il computer
cerca tra gli spettri della libreria quelli i cui algoritmi hanno i valori più
prossimi al valore calcolato per il composto incognito. Nell’esempio, il
computer fornirebbe 3 opzioni (sovente molte di più), per ciascuna delle
quali la “somiglianza” con il composto incognito viene espressa in
millesimi.
Giorgio Bonaga
1) 3-esanolo (168,00/167,87) = 999/1000
2) 2-esanolo (167,47/167,87) = 997/1000
3) 1-esanolo (166,80/167,87) = 994/1000
Normalmente la ricerca della somiglianza può essere fatta scegliendo uno
dei seguenti parametri:
• PURITY: confronta tutti i picchi dello spettro reale con tutti i
picchi degli spettri della libreria;
• FIT: confronta i 16 picchi più abbondanti dello spettro reale
con i 16 picchi più abbondanti degli spettri della libreria;
• RETROFIT: confronta i 16 picchi più abbondanti degli spettri
della libreia con i 16 picchi più abbondanti dello spettro reale.
In molti casi queste somiglianze non consentono di assegnare con certezza
le strutture dei composti analizzati, ma soltanto di fornire delle
identificazioni più probabili che possono essere, comunque, molto utili
anche nell’interpretazione logica dello spettro di massa.
Giorgio Bonaga
MS/MS TANDEM
ioni figli
MS
ione genitore
selezionato
cella di
collisione
MS
Giorgio Bonaga
Q-TOF in modalità QQQ/MS
Q/Q/Q
skimmer
Q
accessorio
rivelatore
ESI
TOF
+
cono di
campionamento
cella di
collisione
propulsore
riflettori
Giorgio Bonaga
LC (ESI)-MS/MS
cono di
campionamento
sistema
ottico
quadrupolo
(MS1)
ESI
gas di
collisione
quadrupolo
(MS2)
dinodo di
conversione
fosforo
+
Z spray
ion source
cono di estrazione
cella di collisione
(esapolo)
fotomoltiplicatore
Giorgio Bonaga
Q-TOF (MS/MS) di una sequenza peptidica
TOF MSMS 681.30
NF
(128.11)
E
G
S
S
G
E
(128.11)
F
bMax
yMax
N
100
681.42 (M+H) +
%
682.43
291.21
y2
Giorgio Bonaga
664.39
262.16
b2
102.07 129.12
E
147.13
y
204.17
y1
234.15
a2
263.16
217.13
420.27
391.21
y3
b3
402.26
292.21
293.19
364.18
683.41
421.26
374.18
567.37
y4
478.25
b4
517.28
577.35
549.34
686.10
663.39
646.38
0
75
100
125
150
175
200
225
250
275
300
325
350
375
400
425
450
475
500
525
550
575
600
625
650
675
686.44
M/z
700
Sequenza peptidica: porzione di spettro MS
291.21
262.16
234.15
263.16
217.13
225
250
275
292.21
374.18
293.19 364.18
300
325
350
375
Giorgio Bonaga