Upload
randall-johns
View
219
Download
0
Tags:
Embed Size (px)
Citation preview
14-1
CH-4 Part 1
Mass Spectroscopy
Prepared By
Dr. Khalid Ahmad Shadid
Islamic University in MadinahDepartment of Chemistry
14-2
14-3
Mass Spectrometry (MS)
An analytical technique for measuring the mass-to-charge ratio (m/z) of ions in the gas phase. Mass spectrometry is our most valuable analytical tool
for determining accurate molecular masses. Also can give information about structure.
electron ionization mass spectrometer (EI-MS)
14-4
Mass Spectrometry (MS)
14-5
A Mass Spectrometer
A mass spectrometer is designed to do three things: Convert neutral atoms or molecules into a beam of
positive (or rarely negative) ions. Separate the ions on the basis of their mass-to-charge
(m/z) ratio. Measure the relative abundance of each ion.
14-6
A Mass Spectrometer Electron Ionization MS
In the ionization chamber, the sample is bombarded with a beam of high-energy electrons.
Collisions between these electrons and the sample result in loss of electrons from sample molecules and formation of positive ions. Methane for example has 4 + 4 = 8 valence electrons. One is knocked out leaving a radical cation, which has only seven valence electrons
++
+
C HH
H
H
CH
H
He 2eH
Molecular ion(a radical cation)
14-7
Molecular Ion
Molecular ion (radical cation) (M): A radical cation formed by removal of a single electron from a parent molecule in a mass spectrometer.
For our purposes, it does not matter which electron is lost; radical cation character is delocalized throughout the molecule. Therefore, we write the molecular formula of the parent molecule in brackets with: a plus sign to show that it is a cation. a dot to show that it has an odd number of electrons.
14-8
Molecular Ion
At times, however, we find it useful to depict the radical cation at a certain position in order to better understand its reactions.
CH3CH2OCH(CH3)2CH3CH2OCH(CH3)2 .
The radical cation is unstable and undergoes fragmentation to give smaller ions
MHIGH ENERGY
70 eVM+ . + e-
FRAGMENTATION
UNKNOWNCOMPOUND
14-9
Electron Impact Ionization
e- + H C
H
H
C
H
H
H
H C
H
H
C
H
H
H
H C
H
H
C
H
H
+ H
H C
H
H
C
H
H
H
+
Other fragments can be formed when C—C or C—H bonds are broken during ionization. Only the positive fragments can be detected in MS.
14-10
Mass Spectrum
Mass spectrum: A plot of the relative abundance of ions versus their mass-to-charge ratio.
Base peak: The most abundant peak. Assigned an arbitrary intensity of 100.
The relative abundance of all other ions is reported as a % of abundance of the base peak.
14-11
Molecular (or Radical cation)Ion (Parent) – ion having same mass as the analyte
Daughter Ion – ion having lower mass Base Peak – biggest peak
Size of peaks depends on relative natural abundance of isotopes
The base peak in electron-impact spectra arise from fragments rather than from molecular ion.
The molecular ion peak provides the MWt of the unknown.
Conclusion about types of MS Peaks:
14-12
MS of dopamine
Figure 13.2 Partial mass spectrum of dopamine showing all peaks equal or greater than 0.5% of the base peak.
14-13
MS of Dopamine
The number of peaks in the mass spectrum of dopamine is given here as a function of detector sensitivity.
HO
HO
NH2Number of PeaksRecorded
Peak IntensityRelative to Base Peak
> 5%> 1%> 0.5%> 0.05%
8 31 45120
14-14
Other MS techniques
What we have described is called electron ionization mass spectrometry (EI-MS).
Other mass spectrometry techniques include Fast atom bombardment (FAB). Matrix-assisted laser desorption ionization (MALDI). Chemical ionization (CI). Electrospray ionization (ESI).
14-15
Resolution
Resolution: A measure of how well a mass spectrometer separates ions of different mass. Low resolution: Refers to instruments capable of
separating only ions that differ in nominal mass; that is ions that differ by at least 1 or more atomic mass units (amu).
High resolution: Refers to instruments capable of separating ions that differ in mass by as little as 0.0001 amu.
14-16
Resolution
C3H6O and C3H8O have nominal masses of 58 and 60, and can be distinguished by low-resolution MS.
C3H8O and C2H4O2 both have nominal masses of 60.
distinguish between them by high-resolution MS.
C2H4O2
C3H8O
60.02112
60.05754
60
60
MolecularFormula
Nominal Mass
PreciseMass
14-17
Molecular formula in general
Even Mass : can contain C, H, O , halogen, even # N
Molecular ion:
Odd Mass : can contain C, H, O , halogen, odd # N
Fragmentation ions:
Even Mass : From even mass M+ comes from rearrangement or 2 bond breaking
even Mass : from Odd Mass M+ comes from single bond breaking
Odd Mass : From even mass M+ comes from single bond breaking
14-18
THE RULE OF 1313قانون
الجزيئية الصيغة الستنباط يستعملعليه المتحصل الجزيئي الوزن من
الكتلة مطياف منMS Basic Molecular formula
(CH) Use table of element
equivalent to convert the basic molecular formula into
molecular formula تتالف ---> 13قانون اساسية صيغة
ذرات ثم ----> CHمن فقطما ونحذف اخرى عناصر نضيف
الـــ ذرات من وزنا CHيكافئها االساسية الصيغة حساب يمكن
على الجزيئي الوزن بقسمة وذلكالقسمة 13 ناتج على نحصل حيثn القسمة يلي rوباقي كما
M
13= n +
r
13
االساسية = CnH(n+r)الصيغة
14-19
14-20
THE RULE OF 1313قانون
الجزيئي( 1مثال وزنه عضوي مركب46g/mol : يلي كما الكتلي الطيف وصورة
والجزيئية؟ االساسية الصيغة هي ما
m/z
0
100
Relative intensity
28 46
M+.
14-21
THE RULE OF 1313قانون
الجزيئي( 1مثال وزنه عضوي وصورة 46g/molمركب : الصيغة و االساسية الصيغة هي ما يلي كما الكتلي الطيف
الجزيئية؟
M
13= n +
r
13
االساسية = CnH(n+r)الصيغة
m/z
0
100
Relative intensity
28 46
M+.
1
2
14-22
THE RULE OF 1313قانون
الجزيئي( 1مثال وزنه عضوي 46g/molمركب : الصيغة هي ما يلي كما الكتلي الطيف وصورة
والجزيئية؟ االساسية
M
13= n +
r
13
46/13 = 3 + 7/13n = 3; r = 7
14-23
THE RULE OF 1313قانون
الجزيئي( 1مثال وزنه عضوي 46g/molمركب : الصيغة هي ما يلي كما الكتلي الطيف وصورة
والجزيئية؟ االساسيةM
13= n +
r
13
46/13 = 3 + 7/13n = 3; r = 7
االساسية = CnH(n+r)الصيغة
14-24
THE RULE OF 1313قانون
الجزيئي( 1مثال وزنه عضوي 46g/molمركب : الصيغة هي ما يلي كما الكتلي الطيف وصورة
والجزيئية؟ االساسيةM
13= n +
r
13
46/13 = 3 + 7/13n = 3; r = 7
االساسية = CnH(n+r)الصيغة
االساسية = C3H10الصيغة
14-25
THE RULE OF 1313قانون
الجزيئي( 1مثال وزنه مركبعضوي46g/mol : يلي كما الكتلي الطيف وصورة
والجزيئية؟ االساسية الصيغة هي ما
M
13= n +
r
13
46/13 = 3 + 7/13n = 3; r = 7
االساسية = CnH(n+r)الصيغة
االساسية = C3H10الصيغةالجزيئي 46الوزن
m/z
0
100
Relative intensity
28 46
M+.
14-26
الجزيئي( 2مثال وزنه مركبعضوي46g/mol ذرة على هي: Oيحتوي ما
والجزيئية؟ االساسية الصيغة
M
13= n +
r
13
46/13 = 3 + 7/13n = 3; r = 7
االساسية = CnH(n+r)الصيغة
االساسية = C3H10الصيغةالجزيئي 46الوزن
m/z
0
100
Relative intensity
28 46
M+.
14-27
الجزيئي( 2مثال وزنه مركبعضوي46g/mol ذرة على هي: Oيحتوي ما
والجزيئية؟ االساسية الصيغة
M
13= n +
r
13
46/13 = 3 + 7/13n = 3; r = 7
االساسية = CnH(n+r)الصيغة
االساسية = C3H10الصيغةالجزيئي 46الوزن
m/z
0
100
Relative intensity
28 46
M+.
O +اضافة CH4حذف -
الجزيئي + 16الوزنالجزيئي – 16الوزن
14-28
الجزيئي( 2مثال وزنه مركبعضوي46g/mol ذرة على هي: Oيحتوي ما
والجزيئية؟ االساسية الصيغة
M
13= n +
r
13
46/13 = 3 + 7/13n = 3; r = 7
االساسية = CnH(n+r)الصيغة
االساسية = C3H10الصيغةالجزيئي 46الوزن
m/z
0
100
Relative intensity
28 46
M+.
O +اضافة CH4حذف -
الجزيئي + 16الوزنالجزيئي – 16الوزن
الجزيئي 46الوزن C2H6O الجزيئية الصيغة
14-29
الجزيئي( 2مثال وزنه مركبعضوي46g/mol ذرة على هي: Oيحتوي ما
والجزيئية؟ االساسية الصيغة
M
13= n +
r
13
46/13 = 3 + 7/13n = 3; r = 7
االساسية = CnH(n+r)الصيغة
االساسية = C3H10الصيغةالجزيئي 46الوزن
m/z
0
100
Relative intensity
28 46
M+.
O +اضافة CH4حذف -
الجزيئي + 16الوزنالجزيئي – 16الوزن
الجزيئي 46الوزن C2H6O الجزيئية الصيغة
IHD = 0CH3CH2OH
14-30
M
13= n +
r
13
46/13 = 3 + 7/13n = 3; r = 7
االساسية = CnH(n+r)الصيغة
االساسية = C3H10الصيغةالجزيئي 46الوزن
O +اضافة CH4حذف -
الجزيئي + 16الوزنالجزيئي – 16الوزن
الجزيئي 46الوزن C2H6O الجزيئية الصيغة
IHD = 0CH3CH2OH
m/z
0
100
Relative intensity
28 46
H3C OH...
+ .
H3C
+ .H
.
H3C OH....
M+.
M+. - H2O
الجزيئي( 2مثال وزنه مركبعضوي46g/mol ذرة على هي: Oيحتوي ما
والجزيئية؟ االساسية الصيغة
14-31
M
13= n +
r
13
46/13 = 3 + 7/13n = 3; r = 7
الجزيئي( 3مثال وزنه مركبعضوي46g/mol ذرة على الصيغة: Sيحتوي هي ما
والجزيئية؟ االساسية
14-32
M
13= n +
r
13
46/13 = 3 + 7/13n = 3; r = 7
االساسية = CnH(n+r)الصيغة
االساسية = C3H10الصيغةالجزيئي 46الوزن
الجزيئي( 3مثال وزنه مركبعضوي46g/mol ذرة على الصيغة: Sيحتوي هي ما
والجزيئية؟ االساسية
14-33
M
13= n +
r
13
46/13 = 3 + 7/13n = 3; r = 7
االساسية = CnH(n+r)الصيغة
االساسية = C3H10الصيغةالجزيئي 46الوزن
S +اضافة C2H8حذف -
الجزيئي + 32الوزنالجزيئي – 32الوزن
الجزيئي( 3مثال وزنه مركبعضوي46g/mol ذرة على الصيغة: Sيحتوي هي ما
والجزيئية؟ االساسية
14-34
M
13= n +
r
13
46/13 = 3 + 7/13n = 3; r = 7
االساسية = CnH(n+r)الصيغة
االساسية = C3H10الصيغةالجزيئي 46الوزن
S +اضافة C2H8حذف -
الجزيئي + 32الوزنالجزيئي – 32الوزن
الجزيئي 46الوزن CH2S الجزيئية الصيغة
الجزيئي( 3مثال وزنه مركبعضوي46g/mol ذرة على الصيغة: Sيحتوي هي ما
والجزيئية؟ االساسية
14-35
M
13= n +
r
13
46/13 = 3 + 7/13n = 3; r = 7
االساسية = CnH(n+r)الصيغة
االساسية = C3H10الصيغةالجزيئي 46الوزن
S +اضافة C2H8حذف -
الجزيئي + 32الوزنالجزيئي – 32الوزن
الجزيئي 46الوزن CH2S الجزيئية الصيغة
IHD = 1CH2S
H H
S
الجزيئي( 3مثال وزنه مركبعضوي46g/mol ذرة على الصيغة: Sيحتوي هي ما
والجزيئية؟ االساسية
14-36
الكتلة مطيافMS
الجزيئي الوزنMolecular
mass
13قانون االساسية الصيغة(CH)
M
13= n +
r
13
حذف جدولواضافة
ما وحذف عنصر اضافةذرات من وزنا يكافئه
CH
الجزيئية الصيغة(CHX)
1 2
3
4
5
IHD التكسير
6البنائية الصيغة
14-37
Interpreting a mass spectrum
Nitrogen Rule: If a compound has zero or an even number of nitrogen atoms, its molecular
ion will have an even m/z value. an odd number of nitrogen atoms, its molecular ion will
have an odd m/z value.
MW OF CH5N = 31MW OF C2H8N2 = 60
14-38
Molecular formula: RULE of 13
Consider CH unit 13 amu
If we divide the mass by 13 we can establish easily possible formula: Example: Molecular ion => 152
152 / 13 = # carbons = 11Mass = 12 * 11 = 132 therefore H = 152 – 132 = 20
Basic formula C11 H20
If Oxygen is present : mass = 16 remove CH4
If Nitrogen is present : mass = 14 remove CH2
If one oxygen : C11 H20 – CH4 + O = C10 H16 O
If second oxygen : C10 H16 O – CH4 + O = C9 H12 O2
If third oxygen : C9 H12 O2 – CH4 + O = C8 H8 O3
14-39
Molecular formula: RULE of 13
After establishing the basic formula with only Carbon/hydrogen,Other element can be introduced by substracting the proper hydrocarbonvalue
16O => CH4
14N => CH2
19F => CH7 1H12 => C28Si => C2H4
31P => C2H7
32S => C2H8
35Cl => C2H11
79Br => C6H7
127I => C10H7
14-40
Nitrogen rule
Molecular ion => 26
26 / 13 = # carbons = 2
Mass = 12 * 2 = 24 therefore H = 2
Basic formula C2 H2
C C HH
Molecular ion => 27 odd!
27 / 13 = # carbons = 2
Basic formula C2 H3
One Nitrogen C2 H3 - CH2 + NC NH
14-41
Nitrogen rule
Molecular ion => 100
100 / 13 = # carbons = 7
Mass = 12 * 7 = 84 therefore H = 16
Basic formula C7 H16
1 Oxygen: C7 H16 - CH4 + O
C6 H12 O
Molecular ion => 99 odd!
Basic formula C7 H16
1 Nitrogen: C7 H16 – CH2 + N
C6 H14 N
OH NH2
14-42
Good Luck