Massenspektrometrie – eine einstündige Einführung Sommersemester 2011 Videos aus: http://phd.marginean.net/regimes.html Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie

Massenspektrometrie – eine Einführung Was kann die Massenspektrometrie? Sie liefert eine Aussage über das Molekulargewicht von Verbindungen: dazu sind nur sehr kleine Substanzmengen nötig Weniger als 10-6g sind ausreichend, in günstigen Fällen auch 10-15g Beispiel 1g Substanz in einem Schwimmbecken (50x10x3m) kann in einer 1ml Wasserprobe noch nachgewiesen werden. Sie kann bei der Strukturaufklärung von unbekannten Verbindungen helfen: dazu betrachtet man die Zerfallsprodukte von Ionen Man kann mit ihr quantitative Aussagen machen: dazu muss man in der Regel das MS-Verhalten der reinen Komponenten kennen Man kann komplexe Gemische analysieren: dazu koppelt man eine chromatographische Methode mit der Massenspektrometrie Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie

+  + Massenspektrometrie – eine Einführung Was sind die Voraussetzungen, um ein Massenspektrum messen zu können? Die Moleküle müssen vereinzelt werden – d.h. sie von Wechselwirkungen zu befreien. In der Regel bedeutet das die Überführung ins Vakuum Um Kräfte auf das Molekül ausüben zu können, muss es eine Ladung erhalten +  -e- + Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie

Massenspektrometrie – eine Einführung Massendefinitionen [CH2BrCl] + Die Summe der Atomgewichte, also inclusive aller Isotope wird als stöchiometrische, auch Formelmasse oder „average mass“ Masse bezeichnet. 1x12.01 + 2x1.008 + 1x35.46 + 1+79. 91 =129.38 Da Zur Erinnerung, viele Elemente bestehen aus einem Gemisch mehrerer Isotope. 12C 98,9% 13C 1,1% 35Cl 75,7% 37Cl 24,3% 79Br 50,7% 81Br 49,3% Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie

Massenspektrometrie – eine Einführung Massendefinitionen [CH2BrCl] + Wenn bei einer Messung die einzelnen Isotope getrennt werden, muss die Berechnung der Peaks mit der Masse der reinen Nuclide erfolgen. [12C1H279Br35Cl] + = 127.90283 Da [12C1H281Br35Cl] + mit [12C1H79Br37Cl] + = 129.9090 Da [13C1H279Br35Cl] + = 128.90618 [13C1H281Br35Cl] + mit [13C1H79Br37Cl] + = 130.91235 Da [13C1H281Br37Cl] + = 132.93528 Da [12C1H281Br37Cl] + = 131.93193 Da Die Kombination der häufigsten Isotope wird als monoisotopische Masse bezeichnet. Für eine bequeme Kommunikation wird auch die Summe der gerundeten Isotopenmassen verwendet, diese wird als nominale Masse bezeichnet. Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie

Massenspektrometrie – eine Einführung Massendefinitionen [CH2BrCl] + Die Masse der Linien ist nicht ganzzahlig, weil die reinen Isotope auch keine ganzzahligen Massen besitzen. Beispiel: [12C1H279Br35Cl] + = 127.90229 Da 12.0000 + 2 x 1.0078 + + 78.91799 + 34.9683 = 127.9028 Da Wenn die Masse mit einer Genauigkeit < 5mDa bestimmt wird, bezeichnet man das als exakte Massenbestimmung. Mit Hilfe der exakten Massenbestimmung kann man zwischen Verbindungen gleicher Nominalmasse aber unterschiedlicher Elementarzusammensetzung entscheiden. Cl 34,9683 (75,7%) 36,96535 (24,3%) H 1,0078 C 12,0000 (98.4%) 13,00281 (1,1%) Br 78,91779 (50,7%) 80,91574 (49,3%) Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie

Die EIektronen(stoss)ionisation EI Massenspektrometrie – eine Einführung Die EIektronen(stoss)ionisation EI + Ins Vakuum einschleusen Verdampfen Ionisieren Radikalkationen Ionisieren durch Elektronenstoss EI electron impact, oder electron ionization Glühkathode Fokussierung Elektronenstrahl +3000V 0V Ionenstrahl zum Analysator Substanz gasförmig Anode Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie

Die EIektronen(stoss)ionisation EI Massenspektrometrie – eine Einführung + Die EIektronen(stoss)ionisation EI Energiebedarf für die Ionisation 6-12 eV = 138-276kcal = 578-1156 kJ +e- + Überschussenergie 2-10 eV = 46-230kcal = 193-964 kJ -2e- + -R -N + -N + -R -N + -R + 100% m/z Die y-Achse wird auf das häufigste (intensivste) Ion normiert. Auf der x-Achse werden die Ionen nach ihrem m/z Wert geordnet. Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie

Massenspektrometrie – eine Einführung Quadrupolanalysator (Quadrupolmassenfilter) die Frequenz, die Amplitude und die überlagerte Gleichspannung bestimmen den Durchlassbereich Quadrupolstäbe Wechselspannung m/z zu klein Detektor Ioneneintritt Ionenbahnen m/z passend m/z zu gross Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie

Die EIektronen(stoss)ionisation EI Massenspektrometrie – eine Einführung + Die EIektronen(stoss)ionisation EI Zur Interpretation der Fragmentierung wird das Konzept der lokalisierten Ladung verwendet Die Radikalstelle induziert zwischen α- und β-Position eine Fragmentierung, sie wird als α Fragmentierung bezeichnet. m/z 105 -CO C + m/z 77 Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie

Die EIektronen(stoss)ionisation EI -3 Massenspektrometrie – eine Einführung + Die EIektronen(stoss)ionisation EI -3 Spektrum eines aliphatischen Ketons ? McLafferty Umlagerung + Es bilden sich die stabilsten Kationen Es werden die stabilsten Radikale abgespalten Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie

0.1 mbar 1 bar Massenspektrometrie – eine Einführung ES(I) – Elektrosprayionisation + + + + + + Tröpfchen mit positiver Überschußladung Kapillare 1-4kV Gegenelektrode 0V Lösung 0.01-0.5ml/min zum Analysator Oxidationsprozess Bildung von Ionen in der Lösung 1 bar 0.1 mbar Lösungsmittel und entladene Ionen Ionen negativ Ionen positiv Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie

Massenspektrometrie – eine Einführung Vom Molekül zum Ion im Hochvakuum + Ins Vakuum einschleusen Verdampfen Ionisieren Radikalkationen EI + Probe gelöst, Ionenbildung! Versprühen im E-Feld Transfer zum Vakuum Kationen ESI 1 bar Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie

Massenspektrometrie – eine Einführung ES(I) – Electrosprayionisation + (M+H)+ 2-Amino-3-methylbutanol K+ Auch bei sehr empfindlichen Verbindungen keine Fragmentierung zum Vergleich das EI-Spektrum kein Molekülpeak sichtbar dafür Strukturinformation durch die Fragmentierung! Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie

Massenspektrometrie – eine Einführung ES(I) – Electrosprayionisation + 13+ MW = 1237*z – z*1.0078 12+ MW = 1374*(z-1) – (z-1)*1.0078 z = 10 11+ 9+ 8+ 10+ 7+ 6+ 5+ Die x-Achse eines Massenspektrums ist m/z! Alle beobachteten Ionen sind durch vielfache Protonierung entstanden Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie

Massenspektrometrie – eine Einführung Literaturhinweise – WEB-Information „Interpretation von Massenspektren „ F. W. McLafferty, F. Turecek, Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1995. „Mass Spectrometry - A Textbook“ Jürgen H. Gross, Springer Berlin, Heidelberg NY 2004. „Electrospray Ionization Mass Spectrometry“ Richard B. Cole, John Wiley & Sons, Inc. NY, Weinheim 1997. „MALDI-TOF Mass Spectrometry of Synthetic Polymers“ H. Pasch und W. Schrepp, Springer Berlin, Heidelberg, NY 2003. „Practical Implications of some recent Studies in Electrospray Ionization Fundamentals“ Nadja B. Cech and Christie G. Enke, Mass Spectrometry Reviews (2001) 20, 362-387. http://www.uni-muenster.de/Chemie.oc/service/mass/mass.html http://www.chemlin.de/chemie/massenspektrometrie.htm http://masspec.scripps.edu/index.php http://www.isas-dortmund.de/2002/e/staff/hoffmann/analysatoren.pdf http://members.aol.com/msmssoft/ „Isopro“ Programm Organisch-Chemisches Institut Abt. Massenspektrometrie