Rodrigo Ricardo

Uso de espectrometría de masas para encontrar fórmulas químicas

Publicado el 31 octubre, 2020

Huellas dactilares de moléculas

La espectrometría de masas es una herramienta poderosa para determinar las fórmulas químicas de los compuestos, incluso si no tenemos ni idea de qué tipo de átomos hay en el compuesto. La “huella digital” única de una molécula viene dada por su espectro de masas único, que puede compararse con una base de datos de moléculas conocidas. Incluso si el espectro de masas de una molécula no está en una base de datos, los fragmentos formados cuando se ioniza en el espectrómetro de masas a menudo proporcionan buenas pistas sobre el tipo de molécula.

¿Qué ocurre cuando sabemos que varios compuestos tienen casi la misma masa molecular? Por ejemplo, el CO y el N 2 tienen masas cercanas a 28 amu, entonces, ¿cómo podemos distinguirlos si no se rompen en fragmentos? Con la espectrometría de masas de alta resolución, esto a menudo es posible con solo un poco de conocimiento matemático y químico.

Revisión de la espectrometría de masas

La espectrometría de masas mide la relación masa / carga, m / z , de los iones cuando vuelan a través de un espectrómetro de masas y son desviados por campos magnéticos y / o eléctricos. Los iones con masas más grandes y / o cargas más pequeñas tienen valores m / z altos cuando miramos el espectro de masas de una muestra. Normalmente, los iones tienen una carga unitaria de +1 o -1 en un espectro de masas.

Para el CO o N 2 ionizados , los picos en m / z = 28 corresponden directamente a CO + y N 2 + . Por tanto, estos picos se denominan iones moleculares . En los casos en que una molécula se fragmenta en el espectrómetro de masas, también es posible observar fragmentos de iones, que no son el tema central de esta lección. Aquí, solo discutimos iones moleculares con cargas unitarias.

En un espectrómetro de masas de alta resolución, a menudo podemos medir hasta centésimas o incluso milésimas de uma, dependiendo del instrumento. Suponga que observamos un pico en 28.016 amu en el espectro de masas. ¿Es el pico debido al CO¿O quizás N 2 ?

Espectro de masas desconocido

Cálculo de masa molecular precisa

Dado que las moléculas de CO y N 2 están compuestas por átomos, podemos calcular sus masas moleculares precisas a partir de las masas atómicas precisas de los elementos que componen estas moléculas. Estos valores se encuentran convenientemente en la tabla periódica:

Tabla periódica

Veamos primero el CO. Está compuesto por un átomo de C, con una masa atómica promedio de 12.011 amu, y un átomo de O, con una masa atómica promedio de 15.999 amu. Los valores de la tabla periódica son promedios principalmente porque no todos los átomos de C tienen 6 neutrones, algunos tienen 7 u 8 neutrones. De manera similar, no todos los átomos de O tienen 8 neutrones, algunos tienen menos o más de 8. Por esta razón, las masas atómicas promedio no son exactamente 12 amu para C, por ejemplo, a menos que estemos hablando de un isótopo específico de un elemento. Pero, si recogemos una muestra de átomos de C del suelo, encontraríamos que pesan 12,01 uma en promedio. Para determinar la masa de una molécula de CO promedio, simplemente sumamos las masas de nuestros átomos de C y O promedio: 12.0101 amu + 15.999 amu = 28.010 amu. Esperaríamos ver un pico en m / z = 28.010 amu en el espectro de masas si nuestra muestra realmente contiene CO.

Ahora para N 2 . Simplemente tiene dos átomos de N, cada uno con una masa promedio de 14.007 amu. Por tanto, la masa total de N 2 es 2 x 14,007 = 28,014 uma.

Claramente, 28.010 (CO) es muy similar a 28.014 (N 2 ); ¡los números solo difieren a partir del lugar de las milésimas! Sin embargo, dado que el pico que observamos está en m / z = 28.016, llegamos a la conclusión de que la fórmula de nuestra molécula desconocida es probablemente N 2 en lugar de CO. Sólo los espectrómetros de masas de alta resolución pueden distinguir entre estas dos especies. Si tuviéramos un instrumento con una resolución decente pero algo deficiente, el espectro de masas de una mezcla de CO / N 2 podría tener el siguiente aspecto:

Espectro de masas de CO y N2

Los picos de CO y N 2 no están completamente separados en este espectro de masas, pero al menos podemos verlos a ambos. En algunos espectrómetros de masas, estos dos picos pueden no estar separados en absoluto. Los científicos a menudo tratan de encontrar soluciones alternativas si no tienen la resolución suficiente para determinar qué especies son responsables de picos particulares en el espectro de masas. Como se mencionó anteriormente, observar iones de fragmentos (si los hay) puede proporcionar pistas adicionales sobre la identidad de una molécula. En algunos instrumentos, podemos introducir una molécula que reaccionará selectivamente con solo una de las posibles moléculas responsables de un pico (CO o N 2 , por ejemplo), haciendo que ese pico se haga más grande o más pequeño. Este cambio puede indicar la presencia de una molécula pero no de la otra.

Resumen de la lección

Hemos discutido cómo determinar la fórmula de una molécula a partir de su pico de iones moleculares en un espectro de masas de alta resolución. Podemos hacer esto sumando las masas atómicas promedio precisas de los átomos constituyentes de una molécula, que se encuentran en la Tabla Periódica. Si hay otra (s) molécula (s) con una masa muy similar, también podemos sumar las masas de sus átomos y luego hacer una comparación con la relación masa-carga del pico en el espectro de masas. La molécula que tenga una masa precisa más cercana al pico medido probablemente corresponda al pico de iones moleculares.

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