Teil 4 Massenspektrometrie. Dr. Christian Merten, Ruhr-Uni Bochum, WiSe 2016/17

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1 Teil 4 Massenspektrometrie Dr. Christian Merten, Ruhr-Uni Bochum, WiSe 2016/17 1

2 Funktionseinheiten eines Massenspektrometers Grundprinzip der MS: Trennung von Ionen nach Masse und Ladung MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 2

3 Einlass-Systeme: Indirekter Einlass (~100 µg Probenmenge) Einlass für gasförmige und leicht flüchtige (verdampfbare) Proben MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 3

4 Einlass-Systeme: Direkter Einlass (1-100 µg Probenmenge) (1) Probenschleuse geöffnet zum Befüllen des Verdampfungstiegels (2) Probenschleuse geschlossen und evakuiert Verdampfungstiegel in Ionisationskammer transferiert MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 4

5 Ionisationsmethoden Man unterscheidet allgemein: Harte Ionisation: Hohe Ionisierungsenergie, durch die entstandene Ionen in Fragmentierungsreaktionen in kleinere charakteristische Fragmente zerfallen können Weiche Ionisation: Keine oder geringfügige Fragmentierung Wir beschäftigen uns (wenn auch manchmal nur ganz kurz) mit: Elektronenstoß (electron impact, EI) Chemische Ionisation (CI) Fast Atom Bombardment (FAB) Elektrospray-Ionisation (ESI) Matrix-unterstützte Laser-Desorption/Ionisation (MALDI) MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 5

6 Erzeugung von Ionen mittels Elektronenstoß (EI) Gesamtvolumen ~1 cm 3, Druck ca bis 10-7 mbar (Hochvakuum), T ~ 250 C Glühkathode aus Re- oder W-Draht emittiert schon bei wenigen ma Stromfluss Elektronen, die Richtung Anode beschleunigt werden (Elektronenenergie typischerweise ~70eV). Ionen werden vor Austritt aus Quelle beschleunigt. MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 6

7 Massentrennung Der Klassiker, das Sektorfeld-MS Beschleunigung der Ionen mit Beschleunigungsspannung U B : 1 2 Einfachstes Trennungsprinzip: Beschleunigte Ionen in homogenes Magnetfeld hineinschießen Bewegte Ladung in Magnetfeld Es wirkt die Lorentzkraft: Es ist einfach gezeigt, dass gilt Magnetfeld senkrecht zur Papierebene. 2 MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 7

8 Massentrennung Der Klassiker, das Sektorfeld-MS 2 Abfahren verschiedener Feldstärken B erlaubt Auftrennung der Ionen nach m/z. Crash mit Wand Crash mit Wand Passende Flugbahn MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 8

9 Massentrennung Der Klassiker, das Sektorfeld-MS Ionen treten aus Ionenquelle nicht mit exakt identischen Geschwindigkeiten (Energiedispersion) und auch nicht mit genau gleichen Flugbahnen (Richtungsdispersion) aus zwei Magnetfelder zur Korrektur von Abweichungen MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 9

10 Ionendetektion Noch n Klassiker: Sekundärelektronen-Vervielfacher (SEV) Ionen treffen auf Elektrode Einschlag eines Ions schlägt ein Elektron aus Elektrode das beim Auftreffen auf eine Elektrode höheren Potentials ein weiteres Elektron freisetzt die beim Auftreffen auf eine Elektrode höheren Potentials ein weitere Elektronen freisetzen das beim Auftreffen auf eine Elektrode höheren Potentials ein weitere Elektron freisetzen MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 10

11 Bildung von Molekülionen Durch Kollision mit Elektron erfolgt Übertrag von Stoßenergie Herausschlagen eines (oder seltener auch mehrerer) Elektron(en): Ionisierung: Ionisierungsenergien (Beispiele) n-hexan ev Ethanol ev Cyclohexan 9.88 ev Acetaldehyd ev Cyclohexen 8.95 ev Essigsäure ev Benzol 9.25 ev Methylamin 8.97 ev Anthracen 7.23 ev Anilin 7.70 ev MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 11

12 Bildung von Molekülionen Durch Kollision mit Elektron erfolgt Übertrag von Stoßenergie Herausschlagen eines (oder seltener auch mehrerer) Elektron(en): Ionisierung: Hoher Energieüberschuss bei Ionisierung führt oft auch zu Fragmentierung: Neutralverlust: MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 12

13 EI-MS von Acetophenon (MW=120) Basision (Basispeak) Molekülion M + MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 13

14 Ein paar wichtige Vokabeln Molekülion: Peak mit größter Masse Basispeak: Intensivster Peak, auf den alle anderen Peaks normiert werden Fragmentionen: bilden sich aus Molekülionen durch Zerfall (Primär- und Sekundärfragment möglich) MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 14

15 Eigenschaften des Molekülions 1. M + ist das Ion mit der höchsten Masse, das eine Verbindung liefern kann 2. M + ist geradzahlig, wenn kein N oder eine gerade Anzahl N- Atome vorhanden ist, und ungeradzahlig bei ungerader Anzahl an N-Atomen (Stickstoff-Regel). 3. Alle Fragmente müssen von M + aus chemisch sinnvolle Massendifferenzen haben 4. M + muss alle Elemente enthalten, die in den Fragmenten festzustellen sind 5. Die Intensität von M + ist dem Probendruck proportional 6. Die Intensitätsabnahme von M + und zugehörigen Fragmentsignalen als Funktion der Zeit ist gleich. MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 15

16 M + ist nicht immer die höchste Masse im Spektrum denn: Anlagerungen von Protonen oder anderen Kationen (Li +, Na + ) möglich [M+H] + häufig bei Alkoholen oder Aminen zu beobachten Fragmentierungen können mitunter sehr bevorzugt auftreten Nur [M-R] + beobachtet MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 16

17 Region des Molekülpeaks von C 7 H 6 Cl N O Rund um den Molekülpeak können kleine Satelliten auftreten, deren Intensitäten auf die relativen natürlichen Häufigkeiten der Isotope der beteiligten Elemente zurückzuführen sind. m/z = C 7 1 H 6 35 Cl 1 14 N 1 16 O 1 m/z = 156: + 12 C 6 13 C 1 1 H 6 35 Cl 1 14 N 1 16 O C 67 1 H 5 2 H 1 35 Cl 1 14 N 1 16 O C 6 1 H 6 35 Cl 1 15 N 1 16 O C 6 1 H 6 35 Cl 1 14 N 1 17 O 1 m/z = 157: bis m/z = 173 MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 17

18 Massen und Isotope Einheit der Molekülmasse ist die atomare Masse u (amu) 1 u = 1 Da (Dalton) = 1 / 12 m( 12 C) = kg Verschiedene Massen werden unterschieden (hier am Beispiel C 7 H 16 ): Nominalmasse = 100 Exakte Masse = (isotopenrein!) Mittlere Masse = (über Isotope gemittelt) Element Massenzahl Rel. Häufigk. % Exakte Masse amu Chem. Atomgew. g mol -1 H C N O F Si P S Cl Br I MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 18

19 Beispiele für Isotopenmuster am Molekülpeak OCH 3 Si(CH 3 ) 3 MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 19

20 Isotopenmuster Halogene Mehr zum Thema Isotopenmuster finden Sie als Download. MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 20

21 EI-MS von 1.3-Dichlorbenzol MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 21

22 Auflösungsvermögen Manchmal können einer Nominalmasse verschiedene Summenformeln zugeordnet werden Summenformel MZ Exakte Masse CO C 2 H 4 O C 2 H 6 N C 3 H C 13 2 CH Exakte Masse muss genau bestimmt werden können! MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 22

23 Auflösungsvermögen: 10%-Tal-Definition Auflösungsvermögen Δ Um zwei Signale bei M= (CO 2 ) und M= (C 2 H 4 O) auseinander zu halten, Zwei benachbarte Signale gelten als aufgelöst, wenn sie sich zu nicht mehr als 10% überlappen. benötigen wir demnach eine Auslösung von MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 23

24 Auflösungsvermögen: Verschiedene Analysatoren Analysator Trennprinzip Massenbereich Auflösung Sektorfeld Magnetisches und elektrisches Feld bis ~10000 Exakte Masse max TOF Flugzeit unbegrenzt Exakte Masse ~30000 Quadrupol Quadrupolfelder ~2000 Nur Nominalmassen Ionenfalle Quadrupolfelder ~6000 Nur Nominalmassen FT-ICR-MS Cyclotronfrequenz ~20000 Exakte Masse (10 8 ) MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 24

25 EI-MS von Acetophenon (MW=120) Basision (Basispeak) -28 Molekülion M MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 25

26 Fragmentierung von Acetophenon O O CH 3 +e - CH 3-2e - MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 26

27 -Spaltung: EI-MS von 2-Butanon -Spaltung: -Bindungen zu Heteroatomen werden bevorzugt gespalten. O H 3 C CH 3 O m/z = 57 CH 3 m/z = 15 CH 3 43 Kurznotation: H 3 C O CH 3 MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/

28 -Spaltung: EI-MS von Cyclohexanon 98 MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 28

29 Benzyl-Spaltung: EI-MS von Butylbenzol CH 3 CH 2 CH 3 -C 4 H 9 CH MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 29

30 -Spaltung / McLafferty-Umlagerung Übertragung eines -Wasserstoff-Atoms in einem 6-gliedrigen Übergangszustand auf ein (mindestens) doppelt gebundenes Atom beobachtet für C=O, C=N, S=O, C=C Konzertierter Ablauf Schrittweiser Ablauf MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 30

31 -Spaltung / McLafferty-Umlagerung Die McLafferty-Umlagerung erfolgt unter Ladungserhalt, d.h. als Alkenverlust, aus dem Ausgangsmolekül. In Abhängigkeit der Ionisierungenergie der beiden Produkte kann auch das entsprechende Molekülion im Spektrum auftreten. Man formuliert deshalb meist allgemein: Prüfen Sie also am besten immer auf beide Ionen! MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 31

32 McLafferty: Buttersäure-methylester ebenfalls charakteristisch für Methylester: O -Spaltung H 3 CO 59 Ethylester: 73 und 88 MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 32

33 Fragmentierungstabellen Eine Übersicht charakteristischer Massendifferenzen steht Ihnen als Download bereit! MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 33

34 Übung: Erklären Sie das Fragmentierungsmuster O m/z = 73: Verlust der Methyl-Gruppe durch -Spaltung O C 4 H 8 O 2, M=88 m/z = 43 Verlust der Ethoxy-Gruppe durch -Spaltung O O H 3 C O H 3 C m/z = 60: McLafferty-Umlagerung H 3 C O H OH Bei Carbonsäuren wird oft die protonierte Form beobachtet. 61 MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 34

35 Übung: Erklären Sie das Fragmentierungsmuster m/z = 77: Verlust der Phenyl-Gruppe durch -Spaltung m/z = 105 Verlust von OC 3 H 7 durch -Spaltung 77 O O McLafferty-Umlagerung O 122 O (51 = C 4 H 3+ aus Aromaten) MdS-1 Massenspektrometrie Dr. C. Merten WS 2016/17 35