SPEKTROMETRI MASSA

Typical Mass Spectrometer

Spektrometri MassaSejarah : 1960- Penggunaan spektrometri massa (MS) mulai meluas- Resonansi magnet inti (NMR)1. Diketemukan alat yg dpt menguapkan, mengionkan senyawa. (tekanan hampir vakum 10-6 mmHg, Torr, 10-4 Nm-2).2. Pengukuran massa molekul (BM) dengan ketepatan tinggi3. Ion-ion fragmen bermanfaat untuk ilusidasi struktur.

Spektrometri massa, tidak seperti metoda spektroskopi yang lain, tidak melibatkan interaksi antara radiasi ektromagnetik dan materi.

Spektrometer massa : adalah alat atau instrumen yang digunakan untuk menentukan struktur kimia dari molekul organik berdasarkan perhitungan massa dari molekul tersebut serta pola fragmentasinya

PRINSIP DASARDalam spektrometri massa, molekul sampel dalam fase uap dibombardir dengan elektron berenergi tinggi (70 eV) yang menyebabkan lepasnya satu elektron dari kulit valensi molekul tersebut.Molekul yang kehilangan satu electron akan menjadi suatu kation radikal (M) + e- (M+.) + 2e- Kation radikal tersebut mengandung semua atom-atom dari molekul asal, minus satu elektron, dan disebut ion molekul /molecular ion, dan dinyatakan dengan M+. .

Misal

Sebagai hasil dari tabrakan dengan elektron berenergi tinggi, ion molekul akan mempunyai energi yang tinggi dan dapat pecah menjadi fragmen yang lebih kecil (kation, radikal atau molekul netral).M+. m1+ + m.2 atau M+. m1+. + m2

Ion molekul, ion fragmen dan ion radikal fragmen dipisahkan menggunakan medan magnet sesuai dengan perbandingan massa /muatannya (m/z), dan menghasilkan arus listrik (arus ion) pada kolektor/detektor yang sebanding dengan kelimpahan relatifnya. Fragmen dengan m/z yang besar akan turun terlebih dahulu diikuti fragmen dengan m/z yang lebih kecil.Partikel netral (yang tak bermuatan) yang dihasilkan dalam fragmentasi tidak terdeteksi secara langsung dalam spektrometer massa.

Kebanyakan kation yang dihasilkan dalam spectrometer massa mempunyai muatan = 1 (z = 1), sehingga m/z secara langsung menunjukkan massa dari kation tersebut

Single focusing Mass Spectrometer

INSTRUMENTASI

Sampel diuapkan di bawah vakum dan diionkan menggunakan berkas elektron. Ion sampel dipercepat menggunakan medan listrik memasuki tabung penganalisis dan dilalukan dalam medan magnet. Dalam kekuatan medan magnet yang diberikan, hanya ion-ion positif dan radikal positif akan difokuskan ke detector, sedang ion-ion yang lain (radikal netral) akan dibelokkan ke dinding tabung. Ion dengan m/z lebih besar akan mencapai detektor lebih dulu diikuti m/z yang lebih kecil. Arus listrik yang diterima detektor akan diperkuat dan spektrum massa dari sampel akan direkam.

Energi Potensial suatu ion dengan muatan e ditolak oleh medan elektrostatik yang bermuatan V adalah sebesar eV.E = e VEnergi kinetik suatu ion dengan massa m bergerak dengan kecepatan n (nu).E = m n2 m n2 = e V I

gaya sentrifugal = m n2 gaya sentripetal = e B nr m n2 = e B n IIrm/e = r2 B2

2 V

E V = m.n2 .. I m n2 = e B n II2 e V = m n2 n = e . B. r 2 e V = e . B. n

2 V = B. n

2V = B. e. B . r

e/m = 2 V

m/e = r2 B2 m rrrrmr2 B22 V

Magnetic Sector Analyzer

Different Ionization MethodsElectron Impact (EI - Hard method)

Fast Atom Bombardment (FAB Semi-hard)

Electrospray Ionization (ESI - Soft)

Matrix Assisted Laser Desorption (MALDI-Soft)

IONISASI SPEKTROMETRI MASSABerdasarkan pola ionisasinya, spektrometer massa dibagi menjadi

1. EI-MS: Elektron Impact - Mass SpectrometerPola ionisasi sampel dengan berkas elektron berenergi tinggi (electron bombardment).Karena energinya tinggi, maka fragmentasi banyak dan kelimpahan M+. relatif kecil. Intensitas puncak ion molekul kecil, bahkan sering tidak nampak, sehingga kadang menyulitkan interpretasi spektra.

EI (Electron Impack)Ion radikal bermuatan positifdengan elektron gasalIon radikal bermuatan negatifdengan elektron gasal

Electron Impact Spectra

EI Fragmentation of CH3OHCH3OHCH3OH+CH3OHCH2O=H++ HCH3OH+ CH3+ OHCHO=H++ HCH2O=H+

2. CI-MS:Chemical Ionization-Mass Spektro-meterPola ionisasinya menggunakan gas (mis: metan, isobutan atau ammonia) yang diionkan. Energi ionisasi lebih kecil dibanding EI-MS, sehingga fragmentasinya lebih kecil dan kelimpahan relatif M+. tinggi.Dalam spectra CI, informasi mengenai BM molekul sample diperoleh dari protonasi molekul sample, dan harga m/z yang diperoleh adalah satu unit lebih besar dibanding BM yang sesungguhnya.

R + e ---> R+. + 2eR+. + RH ---> RH+ + R.RH+ + S ---> SH+ + R

(R = reagent, S = sample, e = electron, . = radical electron , H = hydrogen)

Chemical Ionization Spektrometri massa ionisasi kimiaPositive ion CI spectrumMenggunakan gas pereaksi : metana, isobutana atau ammoniaTekanan 10-2 Nm-2. Negative ion CI spektrumMenggunakan pereaksi : CH3O-M + CH3O- ( M-H)- + CH3OHm/z kurang 1 unit

Kelemahan EI dan CI

3. FAB-MS :Fast Atom Bombardment - Mass SpectrometerPola ionisasinya menggunakan 'fast atoms', misalnya He, Ne, Ar. Biasanya sample dilarutkan dulu dalam suatu matrix, misalnya gliserol kemudian dibombardment dengan fast atom mis Ne

4. FD-MS : Field Desorption - Mass Spectro-meterPola ionisasinya menggunakan medan magnet.sample diletakkan pada filament dan dipanaskan secara gradual menggunakan medan listrik (electric field).Sample ionise by electron tunneling. Ions are M+ and [M+Na]+

No 1. disebut hard ionization, No. 2, 3, 4 disebut soft ionization

SPEKTRUM MASSASpektrum massa adalah suatu plot antara kelimpahan relatif vs m/z.

Kelimpahan fragmen tergantung pada kesetimbangan antara kecepatan pembentukan dan dekomposisinya. Fragmen yang melimpah terbentuk dengan mudah dan mempunyai tendensi yang rendah untuk terfragmentasi lebih lanjut, atau relatif stabil.Fragmen yang paling melimpah dinyatakan mempunyai kelimpahan relatif (relative abundance = RA) 100% dan disebut dengan base peak. Kelimpahan fragmen-fragmen yang lain dinyatakan relatif terhadap base peak

The GC-MS=>A mixture of compounds is separatedby gas chromatography, then identifiedby mass spectrometry.

High Resolution MSMasses measured to 1 part in 20,000.A molecule with mass of 44 could be C3H8, C2H4O, CO2, or CN2H4.If a more exact mass is 44.029, pick the correct structure from the table:

KELIMPAHAN ISOTOPMassa dan kelimpahan beberapa isotop di alam adalah penting dalam spektrometri massa.

Dalam spectrum massa, ion bermuatan tunggal yang mengandung atom karbon akan juga memberikan puncak pada satu mass unit lebih tinggi (M+1). Ini disebabkan adanya kelimpahan 13C di alam (1,1 %). Untuk ion yang mengandung n atom karbon, kelimpahan puncak isotop ini adalah n x 1,1 %.

Pengaruh Kelimpahan Isotop Pada Corak Spektra MassaAtom C 12C 98,9% 13C 1,1% 1,1%98,9%Bagaimana dengan senyawa dengan 2 atom C ?

Kelimpahan M+ = 98,9% ~ 100%M+1 = 1,1% x 2 = 2,2%M+2 = 1,1% x 1,1% = 1,21. 10-4 (sangat kecil)

Meskipun I dan F adalah monoisotopikPada Cl dan Br terdapat dua isotop Dua isotop Cl, yaitu 35Cl dan 37Cl dengan ratio kurang lebih 3:1 Dua isotop Br, yaitu 79Br dan 81Br dengan ratio kurang lebih 1:1. Dengan demikian suatu ion molekul atau ion fragmen dengan satu atom Cl akan memberikan puncak pada 2 mass units lebih besar (M+2) dengan kelimpahan berturut-turut kurang lebih 30% dan 100% dari puncak (M+).

Senyawa dengan 2 atom Cl Atom ClIsotop Cl : Kelimpahan 35 Cl : 3 37 Cl : 1Senyawa dengan 1 atom ClBM 35,5

Mass Spectrum with Chlorine=>

Atom Br79Br = 50%81Br = 50%Senyawa dg 2 atom BrSenyawa dengan 1 atom Br

Mass Spectrum with Bromine=>

Molecules with HeteroatomsIsotopes: present in their usual abundance.Hydrocarbons contain 1.1% C-13, so there will be a small M+1 peak.If Br is present, M+2 is equal to M+.If Cl is present, M+2 is one-third of M+.If iodine is present, peak at 127, large gap.If N is present, M+ will be an odd number.If S is present, M+2 will be 4% of M+. =>

Mass Spectrum with Sulfur=>

Bagaimana corak Spektrum massa suatu senyawa dengan 2 atom Cl dan 2 atom Br ? (a + b ) m ( c + d )nm jumlah atom Cln- jumlah atom Bra,b perbandingan kelimpahan Cl (3:1)c,d perbandingan kelimpahan Br (1:1)( a + b)2 ( c + d)2(a2 + 2ab + b2) (c2 + 2 cd + d2)(9 + 6 + 1) (1 + 2 + 1) 9 + 6 + 1 18 + 12 + 2 9 + 6 + 1 Kelimpahan 9 24 22 8 1M+ M+2 M+4 M+6 M+8

Mass Spectra of AlkanesMore stable carbocations will be more abundant.=>

Mass Spectra of AlkenesResonance-stabilized cations favored.=>

Mengenal ion molekul1. Seringkali puncak ion molekul sangat lemah, mis alkohol shg yang nampak puncak M-18 (kehilangan air).2. Letak paling kanan, ttp dpt ditolak bila kehilangan 14 unit massa, krn dicurigai adanya homolog CH2.3. Senyawa yg mengandung C,H,O,N kehilangan 5-15 unit massa tidak mungkin. Kehilangan 3-5 atom H terjadi krn dehidrogenasi.4.Senyawa yang hanya mengandung [C, H, O] mempunyai BM genap. Jika Senyawa tersebut mengandung N, maka jumlah atom N adalah genap. Senyawa yang hanya mengandung C, H, N, O mempunyai BM gasal, jika jumlah N nya gasal.(Aturan Nitrogen)

Reaksi Fragmentasi dan aturan elektron genap (even electron rule) :Ion ber elektron gasal berfragmentasi dg kehilangan radikal atau molekul,ion ber elektron genap hanya dapat berfragmentasi dg kehilangan molekul

Karena energi berlebih maka ion molekul (M+.) mengalami fragmentasi terjadi pemutusan ikatan. Cara pemutusan ikatan dapat digolongkan :Homolisis (tik) : pergeseran 1 elektron ( tanda pancing )2. Heterolitik (sis) : pergeseran 2 elektron ( tanda anak panah )

Dimana larinya muatan positif ?Hukum /Aturan Stevenson (Stevensons rule) Pemutusan ikatan tunggal pada ion gasal (OE) akan mengahasilkan dua speci/fragmen. Speci yg kecenderungan lebih kuat menahan elektron tak berpasangan harus memiliki Potensial Ionisasi lebih tinggi.

Retro Diels AlderMuatan positif akan terdapat pada ion (speci) yang mempunyai Potensial Ionisasi yang lebih kecil. Baik pemutusan ikatan secara homolitik atau heterolitik.

Ciri-ciri : - Puncak dengan kelimpahan rendah - Melebar - Tidak muncul pada daerah integral mis : 123,1 m/zM1+ M2+ + ( M1 - M2) M2 eV M1-M2 eVM1M1Ion metastabil : ion yg mempunyai massa sama dg ion normal, ttp energi translasinya lebih kecil (drpd ion normal)Daerah Terjadinya Ion Metastabil:1. Daerah antara Sumber ion Analisator elektrostatik keluar2. Daerah antara Analisator elek.- Anal.Magnetik M*3. Daerah Anal Magnetik kolektor sama dengan ion normal

Apakah kegunaan mengetahui adanya ion metastabil ?: mengetahui reaksi fragmentasi mana yang terjadi.Misal : ada puncak M* = 123,1 dan puncak lain 157 dan 139m/z dllM* =( M2)2 = 1392 = 123,1

Maka asal M* adalah fragmentasi 157 139157M1Letak ion metastabil (M*) dpt dihitung secara teoritik sbb:M* = M2 x M2 Massa M* = (M2)2 M1M1

Fragmentasi senyawa aromatik

Pada jurnal-jurnal penelitian (internasional) spektrum massa diatas ini cukup ditulis m/z (rel.abundance): M+136 (38%); 105 (100%); 77 (64%); 51 (40%).

Lihat tabel : appendix A SilversteinBM 136 dapat dicari kemungkinan rumus molekul, : ada 29 kemungkinan rms molC3H8N2O4C11H4bila hanya unsur CHO Ada tiga kemungkinan rms mol C7H4O3, C8H8O2, C9H12OC.8 = 12x8 = 96O.2 = 16x2 = 32H-8 = 1x5 = 8 136DBE

Efek resonansi

Efek orto

Jenis reaksi fragmentasi(Mc. Lafferty)Reaksi dissosiasi ikatan sigma (s)Reaksi pemutusan alfa (a)Reaksi pemutusan induktifReaksi dekomposisi struktur siklikReaksi penataan ulang dari tempat radikalReaksi penatan ulang dari tempat bermuatanReaksi 1 dan 2 diinisiasi dari tempat radikal positif,Reaksi 3 diinisiasi dari tempat bermuatan positif.

1. Reaksi dissosiasi ikatan sigma (s)..(R-CR3)+.

2.Reaksi Pemutusan alfaa. Hetero atom jenuhb. Hetero atom tak jenuhc. Alkena pemecahan alilikd. Benzilik

3.Reaksi pemutusan induktifa.Jenis reaksi OE +.b. Jenis reaksi EE+

4.Reaksi dekomposisi struktur siklik

5. Reaksi penataan ulang Mc Lafferty

Fragmentation processCleavage of s bond

There are 3 type of fragmentations:---- C C -------- C +. C ----+---- C Z -------- C +. Z ----+At heteroatom+ .+ .a to heteroatom---- C - C Z ----C=Z +---- C . ++ .---- C - C Z ----Z + .---- C = C ++ .

Fragmentation processCleavage of 2 s bond (rearrangements)

There are 3 type of fragmentations:---- HC C Z -------- C=C +HZ+Retro Diels-alder+ .+ .McLafferty+ .

Fragmentation processCleavage of Complex rearrangements

There are 3 type of fragmentations:

Fragmentation rules in MSIntensity of M.+ is Larger for linear chain than for branched compoundIntensity of M.+ decrease with Increasing M.W. (fatty acid is an exception)Cleavage is favored at branching reflecting the Increased stability of the ion Stability order: CH3+ < R-CH2+ < RRCH+ < C+RRRRRCHRLoss of Largest Subst. Is most favored

Illustration of first 3 rules (large MW)

MW=170M.+ is absent with heavy branchingFragmentation occur at branching: largest fragment lossBranched alkanes

Illustration of first 3 rules (Linear alkane with Smaller MW)Molecular ion is stronger than in previous sample

Illustration of first 3 rules (Branched alkane with Smaller MW)Molecular ion smaller than linear alkaneCleavage at branching is favored43

Rule 3AlkanesCleavage Favored at branchingLoss of Largest substituentFavoredRule1: intensity of M.+ is smaller with branching

Fragmentation rules in MSAromatic Rings, Double bond, Cyclic structures stabilize M.+Double bond favor Allylic Cleavage Resonance Stabilized Cation

Aromatic ring has stable M.+

Cycloalkane ring has stable M.+

Fragmentation rules in MSa) Saturated Rings lose a Alkyl Chain (case of branching) Unsaturated Rings Retro-Diels-Alder+ .+-R.

Retro Diels-alder+ .+ .

Fragmentation rules in MSAromatic Compounds Cleave in b Resonance Stabilized Tropylium-R.Tropylium ionm/z 91

Tropylium ion

C-C Next to Heteroatom cleave leaving the charge on the HeteroatomFragmentation rules in MS- [RCH2]- [R2]larger

Fragmentation rules in MSCleavage of small neutral molecules (CO2, CO, olefins, H2O .) Result often from rearrangementMcLaffertyY H, R, OH, NR2Ion Stabilized by resonance- CH2=CH2

AlkenesMost intense peaks are often:m/z 41, 55, 69Rule 4: Double Bond Stabilize M+Rule 5: Double Bond favor Allylic cleavage-Et-29M+ = 112m/z = 83

Alkenes

Aromatic compound

Alcohols

Hydroxy compoundsLoss of largest group- R3If R1=H m/z 45, 59, 73 If R1=alkyl m/z 59, 73, 87 M (H2O) (C1=C2) Alkene- H2O- CHR=CHRM (H2O) (H2O)

Phenol

Aromatic EtherMolecular ion is prominent 1)Cleavage in b of aromatic ringRearrangement2)C5H5-COm/z 93m/z 65- CH2=CH2m/z 94- R

Aliphatic EtherCH3 CH2 OCH2 CH2 CH2 CH3CH3 CH2 O+ =CH2CH3 CH2 O CH2+ +Cleavage of C-C next ot OxygenLoss of biggest fragmentm/z 59B

Ether RearrangementIndexMSMS-fragmentation-2Box rearr.1- Cleavage of C-C next to Oxygenm/z 73m/z 45M+2- Cleavage of C-O bond: charge on alkylm/z 73m/z 45B