Lab. Chimica Organica II.
Sostituzioni elettrofile aromatiche
Reazioni del benzene e derivati
E
H
+ E+
Sostituzioni elettrofile aromatiche
Nitrazione
Alogenazione
Cl
H
H2SO4
+ HCl
+ Cl2
NO2
H
FeCl3
+ H2O
+ HNO3
Alchilazione
Solfonazione
H
H2SO4
SO3H
AlX3
Acilazione
COR
H
R
H
+ HCl
+ SO3
AlX3
+ RCOX
+ H*
+ HX
+ RX
+ HX
Sostituzione elettrofila aromatica
Bromurazione
Complesso molecolare con
Carica (+) sul bromo e carica
(-) sul ferro
Intermedio cationico stabilizzato per risonanza
Paragone ∆G± di attivazione
Perdita di aromaticità
Meccanismo
Profilo energetico bromurazione
(processo esoergonico)
Nitrazione elettrofila aromatica
Alchilazione di Friedel-Crafts
La successiva perdita di un protone
porta alla formazione del prodotto
di sostituzione alchilato e neutro
Limitazioni dell’Alchilazione di Friedel-Crafts
1. Nessuna reazione con gruppi disattivanti
2. Polialchilazione
Limitazioni dell’Alchilazione di Friedel-Crafts
3. Riarrangiamento del gruppo alchilico
Effetti dei sostituenti aromatici
Effetto induttivo attivante/disattivante
Effetto di risonanza disattivante
Effetto di risonanza attivante
Stabilità / reattività intermedio carbocationico
La nitrazione del toluene
La nitrazione del fenolo
La nitrazione del clorobenzene
Alogeni: Effetto –I (disattivante); effetto +R (o-/p-orientante)
La clorurazione della benzaldeide
Acilazione di Friedel-Crafts
Meccanismo
L’elettrofilo è un catione acilico
stabilizzato per risonanza
Nota: i cationi acilio NON riarrangiano e non si hanno ulteriori sostituzioni
Alchilazioni di F.-C.: inconvenienti
AlX3
AlX3
RX
RX
1
1.
R
R
H
R
R
2
3
Effetto attivante di R
il composto 2 (monoalchilato) è più reattivo di 1: polialchilazione
NO2
AlX3
nessuna reazione
RX
2.
Effetto disattivante di R
la reazione con gruppi disattivanti – se avviene - è molto lenta
Anidridi come agenti acilanti
R
R
O
AlX3 +
O
O
O
R
O
X3Al
X
X Al O
X
O
R
O
R
O
R
Ione acilio
Reazioni di Grignard
Reazioni dei composti carbonilici: Addizione
R
H
Nu:
+
O
O
R
H
Nu
R
R
Addotto Tetraedrico
di Addizione
Addizione di carbonucleofili
Formazione di nuovi legami C-C
RMgX
RLi
Grignard
Organolitio
RC≡C(-)
acetiluri
Formazione e struttura dei composti organometallici
Reattivi di Grignard
(-)C≡N
cianuri
Composti organometallici
Organolitio
%c.i. = (Ea – Eb / Ea) x 100
Nucleofili
più potenti
Basicità/nucleofilicità degli organometalli
2 CH3MgI + 2 H2O
2 CH4 + Mg(OH)2 + MgI2
Acido più forte
pK = 15.7
Acido più debole
pK = 45
Altri donatori di protoni per organometalli
pKa
R2NH
RC≡CH
ROH
HOH
ArOH
RSH
RCO2H
30-35
25
16-18
15.7
9-10
8-9
4-5
Addizione di reattivi di Grignard a composti carbonilici
Meccanismo della reazione di Grignard
Addizione nucleofila
di un carbanione ad
una aldeide o un
chetone seguita da
deprotonazione dell’
intermedio alcossido
Reazione con esteri dei reattivi di Grignard
Meccanismo
Reazione inutile per la sintesi di chetoni
Sintesi di chetoni via reattivi di Grignard
1.
Reazione con ammidi N, N-disostituite
O
Me
N
Me
R
+
OMgX
R
NMe2
R'
R' MgX
H+
O
R
R'
Intermedio di addizione
al carbonile
2.
Nel caso di ammidi con almeno un H: il Grignard è una base
O
R
3.
N
H
H
O
+
R' MgX
NHMgX
+
R' H
Reazioni con nitrili
N
R
R
NMgX
+
R' MgX
R
NH
H2O
R'
Intermedio di tipo imminico
di addizione al carbonile
R
R'
Immina
O
H2O
R
R'
Possibili reazioni competitive (1)
1.
Addizione coniugata (1,4) a sistemi insaturi
H3O+
OMgX
O
+
O
R' MgX
R'
R'
Meccanismo
O
R'
O
R' Mg
Mg
X
R'
X
O
MgX
Attacco al doppio
legame elettronpovero
H3O+
OH tautomeria
R'
O
R'
stato di transizione ciclico a 6 termini
Possibili reazioni competitive (2)
2.
Riduzione del gruppo carbonilico
(presenza di β-H nel reattivo di Grignard)
O
+
β
R
H
MgX
+
α
OMgX
R
R = alchile
H3O+
H
OH
olefina
Alcol
Meccanismo
R
R'
O +
R''
β
MgX
R
α
R H
OH
R'
R'
+
O
δ+ X
Mg
δ−
H
R''
R''
• β-H del reattivo di Grignard responsabili per la riduzione
• Non c’è introduzione di R’’CH2CH2 nell’alcol prodotto
Possibili reazioni competitive (3)
3.
Enolizzazione (deprotonazione) del gruppo carbonilico
(presenza di α-H nel chetone reagente)
R'
R α
O + R'' MgX
(base)
R'
R
OMgX
+ R''H
H3O+
R
R'
O
• l’idrolisi porta al chetone di partenza
• l’enolizzazione avviene con chetoni ramificati contenenti α-H
• R’’MgX agisce da base
Possibili reazioni competitive (4)
Formazione di bifenile
rottura omolitica
MgX
O
2
Meccanismo radicalico non chiarito
+ XMgO
Reazione di Wittig
Reazione di Wittig.
Metodo generale per la sintesi di alcheni
Effetto globale: conversione di un carbonile in un doppio legame C=C.
I composti del fosforo
H
H
H
P
H
Fosfina
(p. e. -87 °C)
H
P
H
Trifenilfosfina
(p. f. 81 °C)
P con 5 elettroni nel guscio di valenza (come l’N), ma:
• fosfine nucleofili migliori delle ammine
• fosfine basi più deboli delle ammine
Preparazione ilidi di fosforo
1° passaggio: sale di fosfonio
2° passaggio: Rimozione H in α
Meccanismo della Wittig
1. Applicazioni della Wittig
2. Applicazioni della Wittig
Inconvenienti della Wittig
1. Ph3P: relativamente costosa
2. n-BuLi: uso di tecniche particolari
Alternative alla Wittig
Reazione di Wadsworth-Emmons
Wadsworth-Emmons
1° passaggio: Reazione di Arbuzov (SN2)
2° passaggio: deprotonazione dell’estere fosfonato
Meccanismo della Wadsworth-Emmons
Nota:
La reazione di
Wittig presenta
gli isomeri
geometrici (E,Z)
La variante W.-E.
genera solo
l’isomero E.
Sintesi di sulfammidici
Sulfammidici
Antibiotici orali per il trattamento di infezioni batteriche.
Sono tutti derivati della p-amminobenzensolfonammide
(solfanilammide)
Meccanismo d’azione dei sulfammidici
L’attività biologica risiede nella somiglianza con il PABA che
è utilizzato dai batteri nella sintesi dell’acido folico
La solfanilammide blocca la biosintesi dell’acido folico
competendo con il PABA per il sito attivo dell’enzima che ingloba
tale acido nell’acido folico. I batteri così cessano di crescere
Sintesi Multistadio (3 passaggi)
1. H3O+
2. OH-
1° stadio: clorosolfonazione dell’acetanilide
2° stadio: ammonolisi del solfanilcloruro
3° stadio: idrolisi della funzione acetammidica
1° passaggio:
Clorosolfonazione dell’acetanilide
Idrolizza ad acido solfonico
Abbastanza rapidamente
2° passaggio:
ammonolisi del solfonilcloruro
Trattamento con eccesso di NH3 acquosa
3° Passaggio:
idrolisi selettiva del gruppo acetammidico
Il prodotto da idrolizzare è sia una carbossiammide che
una solfonammide
L’idrolisi è selettiva perché le carbossimmidi
reagiscono più velocemente
S tetraedrico: maggiore ingombro sterico e dunque, attacco
del nucleofilo più difficile
Trasformazione di gruppi
funzionali
La Sintesi di Nitrili da Acidi Carbossilici
RCO2H
RCOCl
RCONH2
SOCl2
NH3
- H2O
RCOCl
(1)
RCONH2
(2)
RCN
(3)
1° Passaggio: clorurazione di un acido carbossilico
O
R
OH
+
Cl
O
S
O
Cl
R
O
O
S
Cl
ClO
R
Cl
+ SO2
- Cl-
R
Cl
O O
S
O
Cl
+ HCl
2° Passaggio: Formazione dell’ammide
O
R
Cl
+ NH
3
O
NH3 Cl-
R
NH3
O
R
NH2
+ NH4Cl
I cloruri sono i derivati più reattivi (il carbonile viene attivato)
3° Passaggio: disidratazione dell’ammide
a) SOCl2 come disidratante
O
R
1.
2.
3.
4.
R
NH2
+
Cl
O
S
O
Cl
R
N
H
O
S
Cl
Attacco di NH2 allo zolfo
Intermedio idrossiimminico
Sostituzione interna
Espulsione di SO2
N
- HCl
+ SO2
O
HO S
N
R
Cl-
SN
OH O
S
R
N
Cl
+ HCl
3° Passaggio: disidratazione dell’ammide
b) P2O5 come disidratante
La sintesi di dibromuri vicinali da aldeidi
(allungamento di catena ed alogenazione)
O
H
OH
O
Ac2O
(1)
OH
OCH3
O
O
SOCl2
(2)
MeOH
Br
OCH3
O
HBr
H2O2
Br
OCH3
O
(3)
1° Passaggio: Reazione di composti
CH2-acidi con carbonili
O
CH
base
OH
C C
C
-H2O
1. rimozione di un protone
2. attacco al carbonile
3. formazione enolato/enolo
4. disidratazione
O
C C
Differenti substrati CH2-attivi e differenti carbonili
Reazione di Perkin
O
O
O
+
O
O
O
O
+
O
H
O
O
+
O
O
O
HO
(2)
O
O
O
O
O
O
+
OH
(3)
O
OH
O
O
O
OH
O
+
HO
(1)
O
O
O
O
O
O
O
O
+
O
O
O
Na2CO3, H+
O
(4)
2° Passaggio: Preparazione del metilcinnamato
OH
OMe
O
+ MeOH
a) formazione del cloruro acilico
O
R
OH
O
+
S
Cl
Cl
O
R
O
O
SOCl2
O
S
Cl
Cl-
+ H2O
b) metanolisi del cloruro acilico
+ HCl
O
R
R
Cl
+ SO2
- Cl-
R
Cl
O O
S
O
Cl
R
R
Cl
O
O
OH
H+
- HCl
OMe
Cl
HO Me
3° Passaggio: addizione al doppio legame C=C
Br
Br
Br+
Br
Br
Br-
Br2
orientazione trans-coplanare
Br
BrBr
Br
trans-diassiale
transequatoriale
metodo convenzionale (Br2/CCl4)
metodo a basso impatto ambientale (HBr/H2O2)
2 HBr + H2O2
Br2 + H2O
Generazione di Br2 in situ
O
O
Me
Br H
HBr/H2O2
O Me
O
Br H
2,3-dibromo-3-fenil
propionato di metile
Cromatografia
Cromatografia
Definizione. E’ un processo per separare i componenti di una data
miscela grazie ad una successione di distribuzioni degli stessi
componenti tra 2 differenti fasi, una stazionaria e l’altra mobile.
Cromatografia per eluizione:
una miscela di due diversi componenti (soluti A e
B) è trasportata da una fase mobile lungo una
colonna contenente una fase stazionaria
Il fenomeno è il seguente:
una porzione di soluto A nella fase mobile viene in
contatto con una sezione della fase stazionaria. Vi è
una prima ripartizione, ovvero A si distribuisce tra
le due fasi a seconda dell’affinità che esso presenta
per esse. Tale affinità è funzione della natura
chimica del singolo componente, della natura della
fase mobile e di quella stazionaria, della portata
della fase mobile e di altre caratteristiche strutturali
della colonna (lunghezza, sezione, grado di
impaccamento della fase stazionaria, ecc..)
Allo stesso tempo, una porzione dello stesso soluto nella fase stazionaria viene in contatto con una differente
e nuova sezione della fase mobile e si ha un’ulteriore ripartizione. Il processo si ripete numerosissime volte.
Al fluire della miscela, la velocità con la quale i differenti componenti si spostano nella colonna dipende dal
coefficiente di ripartizione di ogni singola sostanza tra le due fasi: KA = [A]st/[A]m; KB = [B]st/ [B]m
Pertanto differenti soluti (con differenti coefficienti di ripartizione), si muovono con differenti velocità in modo
da separarsi in “bande” caratteristiche.
Cromatogramma: volume e tempo di ritenzione
Volume di ritenzione (VR). E’ il
volume di fase mobile che deve
fluire in una data colonna per
eluire un soluto alla sua
massima concentrazione
Tempo di ritenzione (tR). E’ il
tempo richiesto per eluire un
soluto
alla
sua
massima
concentrazione. Se F è la
velocità di flusso (volume x
tempo), noto VR, il tempo di
ritenzione è
tR = VR/F
Per convenienza, i cromatogrammi sono generalmente registrati in
funzione del tempo e forniscono direttamente i tempi di ritenzione.
Gas-Cromatografia
Definizione. E’ un processo cromatografico che prevede l’impiego di una
fase mobile gassosa e di una fase stazionaria che può essere solida
oppure liquida.
Gas-cromatografia gas-solido (GSC): è una tecnica che si basa
sull’assorbimento fisico dei soluti su di una fase stazionaria solida; si usa
raramente e nel caso, viene impiegata principalmente per la separazione
di gas a basso peso molecolare.
Gas-cromatografia gas-liquido (GLC): è una tecnica che si basa sulla
solubilità dei soluti su di una fase stazionaria liquida ed è certamente tra i
metodi analitici più importanti per la separazione e l’analisi di miscele di
prodotti organici.
Vantaggi nell’uso di gas come fase mobile
1. Bassa viscosità. Ciò consente l’uso di colonne lunghe molto efficienti, e
alte velocità di flusso (separazioni veloci)
2. I gas sono “inerti”: virtualmente non ci sono interazioni tra soluto e fase
mobile
3. Si possono realizzare rivelatori estremamente sensibili e veloci
Il gas-cromatografo
Lo strumento consta di 4 parti
1. La sorgente del gas di trasporto
2. La zona di iniezione (injector) e
vaporizzazione della miscela
3. La colonna cromatografica (sistemata
all’interno di un’opportuna camera
termostatata)
4. Il rivelatore all’uscita della colonna
Principio del metodo GLC:
una miscela a più componenti viene
vaporizzata nell’injector e dunque
introdotta sotto la spinta di un gas inerte
(fase mobile) in una colonna riempita di
una fase liquida (fase stazionaria).
Ad una certa temperatura, la velocità con
cui i componenti della miscela si
muovono nella colonna dipende dalla
natura chimica degli stessi, dalla portata
del gas di trasporto, dalla lunghezza e
sezione della colonna e dal natura della
fase stazionaria.
Il gas-cromatografo: sorgente del gas
La sorgente del gas di trasporto è usualmente una bombola ad alta
pressione (200 atm) munita di apposito riduttore dal quale il gas esce a 3-6
atm.
Azoto
Elio
CO2
Idrogeno
Aria
Argon
La fase mobile gassosa deve essere chimicamente inerte. I gas
comunemente usati sono elio ed azoto (più raramente argon o idrogeno) e
le velocità di flusso tipiche vanno da pochi ml/min (1-5) a 50-60 ml/min a
seconda del tipo di colonna usata.
Il gas entra nel circuito cromatografico (iniettore, colonna e rivelatore) ad
una portata che viene accuratamente controllata tramite un regolatore di
flusso
Il gas-cromatografo: l’iniettore
La maggior parte delle miscele analizzate via GLC sono liquide a temperatura ambiente.
La camera di vaporizzazione (iniettore) è un opportuno volume (in genere cilindrico)
racchiuso da pareti metalliche riscaldate ad una temperatura (200-300 °C) all’interno del
quale i campioni da analizzare (di 0.2-0.5 µL) vengono iniettati in modo tale da essere
istantaneamente vaporizzati.
L’iniezione si esegue con microsiringhe
del volume di 5-10 µL.
Il gas-cromatografo: la colonna (1)
1. Colonne Impaccate: sono di vetro oppure di metallo (acciaio, rame o alluminio) con diametro
tra 2 e 10 mm e lunghezze in genere, tra 1 e 4 m.
In condizioni GLC, la fase stazionaria liquida è dispersa
su particelle solide di un materiale supporto ad alta area
superficiale.
Il supporto deve avere:
a) Inerzia chimica verso i componenti da separare e il gas
di trasporto
b) Buona resistenza meccanica
c) Granulometria controllata
Supporti comuni sono costituiti spesso da diatomee
(struttura tipo silice idrata) che a seconda dei trattamenti
termici cui sono sottoposte presentano strutture con
differenti aree superficiali e caratteristiche adsorbenti per
la fase liquida. Nomi commerciali sono Chromosorb W,
Chromosorb P, Chromosorb A, Chromosorb G.
Altri supporti sono Teflon polverizzato, Carbone attivato,
allumina, ossido di Mg, alcuni polimeri organici, ecc…
Fasi stazionarie per colonne impaccate
La fase stazionaria è costituita da un liquido che deve essere non volatile alla
temperatura di analisi. Benchè esistano moltissimi liquidi potenzialmente impiegabili
in GLC, la scelta è stata limitata a circa 25 sostanze classificabili in base alla loro
polarità.
O
OC9H19
OC9H19
O
Squalene
O
OC9H19
OC9H19
O
O
HO
Dinonyl phtalate
O
4
O
O
Ethylene glycol adipate
4
O
O
OH
Il gas-cromatografo: la colonna (2)
2. Colonne Capillari: sono di vetro o silice fusa (vetro ad elevata purezza di composizione
SiO2) con diametro tra 0.2 e 0.5 mm e lunghezze tra 10 e 100 m. Le colonne in silice fusa
sono migliori poiché non contengono impurità metalliche che possono catalizzare
reazioni chimiche nella colonna stessa.
La fase stazionaria liquida è depositata sulle pareti interne della colonna stessa (WCOT:
wall coated open tubular) in uno spessore variabile tra 0.2 e 0.5 µm.
Fasi stazionarie per colonne capillari
Le fasi liquide impiegate sono le stesse usate per le colonne impaccate
Molto usate sono le colonne a fase legata (bonded-phase) dove la fase stazionaria è
chimicamente legata alla colonna, più precisamente agli atomi di silicio sulla superficie
interna della colonna
Vantaggi delle colonne capillari. Il diametro ridotto comporta “Coating” più uniforme
e trasferimento di calore migliore e più controllabile. Si ha inoltre miglior risoluzione e
separazione
Selezione di una colonna
gas-cromatografica
Regole pratiche. “Il simile scioglie il simile …”
1. Sostanze polari si separano meglio in colonne contenenti fasi liquide
polari, mentre composti apolari sono separati più efficientemente in
colonne apolari.
2. In presenza di fasi liquide polari, composti polari sono ritenuti più a
lungo di composti apolari.
3. In presenza di fasi liquide apolari, i componenti di una miscela sono
separati in accordo alla loro relative solubilità nella fase liquida stessa
(stazionaria) e gassosa (mobile). Poiché in generale, all’aumentare del
peso molecolare di ogni componente, la sua volatilità (cioè la sua solubilità
nella fase gassosa) diminuisce, esso spende più tempo per essere eluito
in colonna. Pertanto, il tempo di ritenzione di ogni componente
aumenta all’aumentare del suo peso molecolare (o punto di ebollizione)
Il gas-cromatografo: il forno
La temperatura della colonna è una variabile fondamentale per la separazione gascromatografica poiché altera in maniera importante il fenomeno di ripartizione di ogni soluto
tra le due fasi, fissa e mobile. Per assicurare la riproducibiltà della analisi, la temperatura è
controllata attraverso camere termostatabili (forni) con variazioni di ± 0.1 °C.
Analisi isoterma
Analisi in
programmata
di temperatura
Il gas-cromatografo: il rivelatore
Il rivelatore misura la concentrazione di ogni singolo soluto presente nel gas di trasporto in
uscita dalla colonna. Sebbene esistano parecchi differenti tipi di detectors, tra i più usati per
la sua eccellente sensibiltà, c’è il rivelatore a ionizzazione di fiamma (FID: flame ionization
detector).
Il principio è il seguente:
il gas di trasporto in uscita dalla colonna (He, N2
o Ar) si unisce ad un debole flusso di H2 ed aria e
la miscela viene bruciata su di una microfiamma
Per effetto della combustione in presenza di
idrogeno, in presenza di composti organici, si
producono ioni (specie cariche elettricamente)
sebbene il numero di tali ioni vari in relazione alla
natura degli stessi composti. Questa corrente
ionica viene raccolta e misurata grazie a due
elettrodi a cui viene applicata una differenza di
potenziale di circa 300-400 V. Al positivo migrano
elettroni, al negativo gli ioni positivi. Al passare
di ogni singolo componente di una miscela
attraverso il rivelatore si osserverà, dunque un
segnale caratteristico in relazione alla natura e
alla concentrazione di quella specie
Il numero di ioni generati dal composto organico bruciato è in relazione al numero di atomi di C
presenti nello stesso: la risposta del detector migliora (corrente più intensa) per composti
contenenti un maggior numero di atomi di C.
Il FID è insensibile a composti inorganici, ad N2, O2, CO, CO2, acqua, NH3, SO2 … e la sua
risposta diminuisce via, via che in un composto organico aumenta il numero di atomi di O, S, N,
ed alogeni.
Gas-cromatogramma
Report GC
Spettrometria di massa
Lo spettro di massa
Lo Spettro di Massa
Uno spettro di massa contiene un certo numero di picchi ognuno
dei quali corrisponde ad un certo tipo di ioni che hanno cioè
un certo rapporto massa/carica (m/z). Inoltre l’intensità del
picco è proporzionale al numero degli ioni che lo hanno
originato.
Nel rapporto m/z, la massa “m” non è quella esatta dello ione ma
piuttosto quella nominale cioè approssimata al numero intero
più vicino alla massa vera dello ione.
Tipi di ioni:
•
•
•
•
•
•
Ione molecolare
Ioni di frammentazione
Ioni di riarrangiamento
Ioni a carica multipla
Ioni metastabili
Ioni negativi
Ione molecolare
Quando un fascio di elettroni colpisce una data molecola ABCD
(dove A, B, C e D sono atomi o gruppi di atomi costituenti la
molecola organica), con energia superiore a quella per la sua
ionizzazione, la molecola ionizza generando uno ione positivo
per espulsione di un elettrone:
ABCD
+ e- ⎯⎯⎯→ [ABCD]+. + 2e-
Questo ione è detto MOLECOLARE ed è radicalico poiché ha un
elettrone spaiato. Dal valore della massa di questo ione si ricava
la massa (peso molecolare) della molecola genitrice.
Ioni di frammentazione.
Ioni di frammentazione. La ionizzazione della molecola neutra
ABCD lascia sullo ione molecolare un eccesso di energia
che viene dissipata attraverso un processo di
frammentazione dello ione stesso. In pratica, si scindono
alcuni legami nello ione molecolare per generare ioni
frammento.
[ABCD]+. ⎯⎯⎯⎯→ [AB]+ + CD.
I frammenti così formati possono a loro volta rompersi dando
luogo a frammenti più piccoli e così via.
Ioni di riarrangiamento
Derivano dallo ione molecolare o da ioni frammento per rottura
di almeno due legami e formazione di uno nuovo:
[ABCD]+. ⎯⎯⎯⎯→ [AD]+. + BC
Ad esempio, la formazione di AD+. richiede la rottura dei legami
A-B e C-D e la formazione di un nuovo legame A-D
(trasposizione di McLafferty).
Interpretazione dello spettro di massa
Identificazione e Conferma dello ione molecolare
Regola dell’azoto.
La regola afferma che lo ione molecolare di una sostanza organica ha:
- Massa pari se non contiene azoto oppure un numero pari di atomi di
azoto
- Massa dispari se contiene un atomo di azoto (oppure un numero
dispari di atomi di azoto)
La regola ha origine dal fatto che, in genere:
la maggior parte degli elementi nelle molecole organiche, ha massa pari
e valenza pari
C: m=12, v=4;
O: m=16, v=2;
S: m=32, v=2, 4, 6; …,
Così, ad esempio: H2O (m/z = 18), CH3OH (m/z = 32), PhOH (m/z = 94)
ma l’azoto è un’eccezione a massa pari (14) e valenza dispari (3)
EtNH2 (m/z = 45), PhNH2 (m/z = 93)
Perdite logiche di frammenti neutri. 1.
Lo ione molecolare nella sua decomposizione può perdere dei frammenti
neutri la cui massa può essere individuata per differenza tra la massa
dello ione molecolare e quella dello ione frammento più vicino.
Ad esempio,
Il composto ha formula bruta
C4H10O
Il picco a massa più alta è quello
pari a m/z = 74 ed è lo ione
molecolare M+.
I picchi immediatamente vicini
sono:
m/z = 73 corrispondente a M+ - 1
m/z = 59 corrispondente a M+ - 15
m/z = 45 corrispondente a M+ - 29
e sono tutte perdite logiche poiché
la prima è relativa all’espulsione
di H, la seconda è la perdita
di un metile (15), la terza è la
perdita di un etile (C2H5 = 29).
Perdite logiche di frammenti neutri. 2.
Se in uno spettro ci sono perdite da 1 a 3 unità di massa da M+
queste possono essere logiche (espulsione di H).
Invece, perdite da 4 a 13 sono non logiche corrispondenti cioè
a frammenti neutri poco probabili.
Un altro intervallo non logico comprende perdite tra 21 e 25.
Intensità dello ione molecolare.
1.
L’intensità di M+. dipende dalla sua stabilità ed aumenta in
genere con il grado di insaturazione della molecola.
2.
Sostanze aromatiche stabilizzano la carica dello ione
molecolare per delocalizzazione
3.
Sostanze aliciclche danno ioni più stabili (di quelle a catena
aperta) poiché la decomposizione di M+. richiede la rottura di
due legami anziché uno
Intensità ioni molecolari: confronto
Intensità dello ione molecolare per
alcune classi di composti
NOTA: alcune sostanze NON danno ione molecolare. Questo
perché all’impatto delle molecole di tali sostanze con gli
elettroni in sorgente, l’energia trasferita è così elevata che lo
ione (molecolare) stesso formato è instabile e frammenta
istantaneamente.
In questi casi, è talvolta possibile rivelare lo ione M+.,
abbassando l’energia degli elettroni ionizzanti (la sensibilità
dello strumento tuttavia diminuisce).
70 eV
13 eV
Abbondanza isotopica naturale
Composizione dello ione molecolare
Lo ione molecolare è sempre accompagnato da uno o due ioni di
massa più elevata.
Es. Benzene: accanto a m/z = 78 (ione molecolare) con intensità 100%, si ha m/z =79
con intensità ∼ 6.8%. Questo picco detto “isotopico” è dovuto al fatto che la
maggior parte degli elementi nelle molecole organiche esistono in natura come
miscele di isotopi (stesso n° atomico, ma masse diverse).
Per il C accanto all’isotopo
più abbondante (12C), c’è un
isotopo di massa 13 pari
all’1.1%. Le molecole
di una data specie contenenti
il 13C daranno allora
ioni molecolari a massa 79,
cioè picchi isotopici M + 1.
CONVENZIONE
nella spettrometria di massa il calcolo dei pesi molecolari viene
fatto sempre sugli isotopi più abbondanti (C: 12; H: 1; N: 14, O:
16; Cl: 35; Br: 79).
Metano: CH4
Per 100 molecole di metano a PM = 16 (12C), ve ne sono 1.1 a
peso 17 (13C). Si trascura il contributo del deuterio.
Molecole complesse: situazione generale
Per molecole complesse contenenti C, H, O, ed N, l’intensità del
primo picco isotopico sarà data dalla somma delle abbondanze
degli ioni che contengono uno degli isotopi più pesanti (13C, 15N,
17O).
La formula semplificata per effettuare il calcolo è:
M + 1 / M = 1.1 x C + 0.37 x N
M + 2 / M = (1.1 x C)2 / 200 + 0.2 x O
dove C = n° atomi di C; N = n° atomi di N; O = n° atomi di O
Ecco allora che se è possibile determinare con precisione
l’intensità dei picchi M + 1 e M + 2 nello spettro di massa di una
data molecola, si può risalire alla composizione elementare della
stessa (questa procedura però non sempre è applicabile).
Massimo n° di atomi di C: si ottiene dividendo l’intensità di M + 1
per 1.1
Determinazione del numero di
atomi di Cloro e Bromo
Cloro:
Bromo:
35Cl:
75% ; 37Cl: 25% (rapporto 3 : 1)
79Br:
51%; 81Br: 49% (rapporto 1 : 1)
Sostanze contenenti Cl o Br danno picchi isotopici M + 2
particolarmente intensi:
- nel caso del Cl, M + 2 ha intensità pari al 30% di M
- nel caso del Br, M + 2 ha circa la stessa intensità di M
Esempi di sostanze clorurate e bromurate
Molecole polialogenate. 1
L’intensità ed il numero dei picchi isotopici varia al variare del numero di atomi
di cloro o bromo.
Ad esempio, per una molecola contenente due atomi di cloro, gli accoppiamenti
possibili sono a due a due:
35Cl35Cl, 35Cl37Cl, 37Cl37Cl
ovvero 3 segnali a M, M+2, M+4, le cui intensità sono calcolabili come:
(3 + 1)2
dove:
3 ed 1 sono le abbondanze relative dei due isotopi (35 e 37),
2 è il numero di atomi di cloro presenti.
Per cui:
(3 + 1)2 = 9 + 6 + 1 e, normalizzando
100
+
67
+
11
M
M+2
M+4
quindi, se M = 100, M + 2 ∼ 67% di M, ed M + 4 ∼ il 10% di M.
Molecole polialogenate. 2
In generale, per valutare l’intensità ed il numero dei picchi
isotopici per molecole contenenti più atomi di cloro o bromo,
si dovrà sviluppare il binomio:
(a + b)n
dove
a = abbondanza isotopo più leggero
b = abbondanza isotopo più pesante
n = numero di atomi di alogeno nella molecola
Molecole polialogenate. 3
Cl
Br
Intensità teorica dei picchi isotopici di ioni contenenti cloro e bromo
Spettro di massa del diclorometano
Frammentazioni dello ione molecolare
•
•
Le reazioni di frammentazione dello ione molecolare sono vere
e proprie reazioni chimiche di decomposizione che
avvengono in fase gassosa e coinvolgono ioni e/o radicali.
Inoltre poiché la pressione in sorgente è estremamente bassa
(elevatissima diluizione), si tratta sempre di reazioni
unimolecolari (non si hanno reazioni ione-molecola)
Ioni di
frammentazione
Ioni di trasposizione
Classificazione delle reazioni di
decomposizione
Si distinguono 3 principali meccanismi di rottura dei legami
1. Rottura α-eterolitica
R
C
R
Z
C
+
Z
La reazione origina uno ione ad elettroni pari ed un radicale. Si osserva
generalmente quando Z è un gruppo elettron-attrattore. Ad esempio,
R
C
C
O
C
+
R
C
O
Le reazioni di decomposizione
(continua 1)
2. Rottura α-omolitica
X
X
Z
+
Y
Il legame si rompe ed X è rilasciato come radicale, mentre Y si
allontana con la carica positiva.
O
C6H5
Ph
Me
+ MeC=O
m/z 77
O
C6H5
Ph
Me
+ MeC
m/z 43
O
Schema di α-cleavage
Le reazioni di decomposizione
(continua 2)
3. Rottura β-omolitica
R
CH2
C
O
R
C
+ H2C
O
R'
R'
In questo caso è il legame in β allo ione radicale a scindersi
omoliticamente. E’ poco probabile: in genere (M-R)+ non è stabile.
Tuttavia è possibile se si generano ioni tipo chetene, ad es.:
R
CH2
C
O
R
+ H2C
C
m/z 42
O
MS di interesse per le esperienze di
laboratorio
• Alcoli
• Composti carbonilici (aldeidi e chetoni)
• Idrocarburi aromatici (frammentazioni caratteristiche
e ioni tropilio)
• Ammine ed ammidi
• Alcheni
Alcoli a catena lunga
Alcoli a catena lunga (C≥ 5): lo ione molecolare non si vede quasi mai poiché si
decompone facilmente perdendo una molecola d’acqua.
Il picco a massa più alta corrisponde a M+ - H2O e si forma attraverso
trasposizione di idrogeno e successiva rottura α.
L’elettrone
non
accoppiato forma un
nuovo legame con un
H
in
posizione
opportuna mediante la
rottura di un legame CH pre-esistente. Si
nota il picco a m/z = 31
corrispondente
allo
ione
ossonio
+
generato
(CH2=O H)
dalla rottura α vista
per gli alcoli leggeri.
n-esanolo
Me
Me
H
H
H
- CH3
t-H
H
H
H
H
C5H5 m/z 69
H
t-H
+
H
H
H
H
H
H
H
H
m/z 41
OH
+
OH
m/z 31
Idrocarburi
9 Spettri complessi
9 Molte vie di frammentazione
Ionizzazione iniziale: eliminazione di elettroni di tipo σ
Legami C-C e C-H (stessa energia) si possono rompere con
eguale probabilità
H
H
C
C
e
H
H
C
C
Ioni molecolari molto
energetici (poco stabili)
H
C
H
C
e
H
H
C
C
Idrocarburi Aromatici
Caratteristiche:
• Ioni molecolari intensi (stabilizzazione notevole della carica nel
nucleo aromatico)
• Frammentazione scarsa e spettri ben definiti
• Serie di ioni a m/z = 39, 40, 51, 52, 65, 66, 77
Il benzene
Il benzene
Lo ione molecolare
Ioni frammento
Alchilbenzeni
Questi composti danno luogo a due frammentazioni
caratteristiche:
1. Rottura benzilica:
Il frammento a m/z = 91 è particolarmente intenso poiché il catione
benzilico riarrangia intramolecolarmente per dare il più stabile catione
tropilio (carica positiva delocalizzata su sette atomi di carbonio)
2. Trasposizione di
McLafferty
Aldeidi e chetoni
Aldeidi alifatiche.
Gli ioni molecolari sono facilmente osservabili
Le frammentazioni più comuni sono
2. il riarrangiamento di
McLafferty
1. la rottura α
R
H
H2C
R
La reazione di McLafferty avviene
quando è presente un H in γ al
carbonile: dà un picco caratteristico
di massa pari (44)
O
H
C
H2
H
OH
+
CH2 H2C
H
m/z = 44
Esempio: n-butanale
2 scissioni α:
vale la regola
di Stevenson
Regola degli elettroni pari
Lo spettro di massa dei composti organici contenenti C, H, O tende ad
essere dominato da ioni a massa dispari
Ciò è legato ai meccanismi di rottura dei legami
1. Lo ione molecolare (ione radicale ad elettroni dispari) infatti,
frequentemente decompone per perdita di radicali
M
C + R
2. Gli ioni frammento decompongono per perdita di molecole neutre
Pertanto, poiché le molecole con C, H, O sono di massa pari, ed i radicali
persi sono di massa dispari, anche gli ioni prodotti saranno di massa
dispari
Ammine
Analogie con gli alcoli:
H2C
NH2
H2C
OH
Analogie con i fenoli:
C6H5
NH2
C6H5
OH
M = 17%, M-1 = 18%, M-CH3 = picco base
Spettri di massa: esempi
Spettri di massa: esercizi
Composto Incognito 7
La formula bruta di questa sostanza è C7H5NO3S. Di quale composto
si tratta?
Risposta Composto Incognito 7
1. Il picco molecolare intenso suggerisce una sostanza aromatica. Ciò è
confermato anche da m/z 76 e m/z 50 che indicano un anello disostituito.
2. l’intensità (elevata) del picco M+2 conferma la presenza dello S.
3. Le perdite che si possono identificare sono:
i) m/z 140 = M - 43; ii) m/z 120 = M - 63; i) m/z 119 = M - 64;
4. Il frammento 43 non può corrispondere né a C3H7 né a CH3CO perché
questi non sono consentiti dalla formula bruta e non compare nello spettro
lo ione acilio CH3CO+
5. Il frammento 64 può invece corrispondere ad SO2 (tra l’altro è presente anche
uno ione a massa 64)
6. Vi sono quindi due parziali strutture: l’anello aromatico disostituito ed un
gruppo SO2. Rimane da sistemare: C, H, N ed O. Le due possibilità sono
(C=O)NH oppure HN=C-O. Nello spettro compare però lo ione 104 che
suggerisce la formazione del catione C6H4CO+. Le due possibili strutture
sono:
O
O
NH
S
I O2
SO2
II
N
H
Ma solo la struttura I spiega
Il frammento M-43 come
[M-CONH]+. ed il frammento 63
come [M-SONH]+.
Appendice: modello relazione