4.3 Fragmentación de iones en Espectrometría de Masas La ...

Espectrometría de Masas
4.3 Fragmentación de iones en Espectrometría de Masas
La utilización de la Espectrometría de Masas en general, y sobre todo su empleo con fines de elucidación
estructural, hace necesario el conocimiento de aspectos básicos de los mecanismos de fragmentación o
descomposición iónica molecular.
4.3.1 Ionización electrónica y descomposición iónica molecular
En la Espectrometría de Masas-EI, la formación de iones y todo el proceso hasta su detección ocurre en
condiciones de alto vacío, por lo que son muy improbables las colisiones entre las especies presentes, de
manera que los procesos que ocurren tiene carácter unimolecular.
Los iones se forman en la fuente de ionización por interacción de las moléculas de la muestra con los
electrones ionizantes (10 -16 s) (Figura 4.39). Estos iones son repelidos hacia el analizados por un campo
eléctrico, y para los valores típicos de ese campo (100 v), y las dimensiones de la fuente de expulsión, tiene
lugar en un intervalo de 10 -6 - 10 -7 s.
Como los cationes radicales formados en la fuente poseen considerable exceso de energía, se encontrarán
frecuentemente en estados electrónicos excitados, en los cuales ocurre un rápido proceso de redistribución
de energía., todavía dentro de la fuente de ionización. La existencia de estos estados electrónicos con
energía vibracional en exceso, equilibrados antes del inicio de las fragmentaciones, es una de las causas
principales de la reproducibilidad de los espectros de masas-EI. La mezcla de iones resultante de las
fragmentaciones es entonces expulsada de la fuente (10 -6 - 10 -7 s).
Figura 4.39 Escala de tiempo para los diferentes eventos en Espectrometría de
Masas.
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Se puede observar que en los procesos descritos se transfiere una gran cantidad de energía a las moléculas
aisladas y que el proceso total concluye en unos pocos microsegundos. La reacción ocurre o no y se
detectan los productos. Los reordenamientos y las aperturas de anillos se detectan solamente si ellos son
seguidos por una fragmentación. Por lo tanto, todas esas reacciones dependen solamente de la estructura y
de la energía contenida en la molécula.
Los productos de las fragmentaciones se deben a reacciones unimoleculares que ocurren en tiempos muy
cortos, de manera que son esencialmente productos con control cinético, es decir su abundancia depende de
las constantes de velocidad asociadas. No obstante, muchas reacciones de fragmentación corresponden a
reacciones reversas de energía de activación baja o nula, tales como la recombinación de un radical con un
catión. De acuerdo con el principio de microrreversibilidad, la energía de activación de la fragmentación es
esencialmente igual a su endotermicidad (Figura 4.40). En este caso el razonamiento en términos
termodinámicos (formación de las especies relativamente más estables) es correcto y coincide en lo esencial
con el control cinético.
Figura 4.40 Energía de activación de recombinación Er
de un radical con un catión. Dado que Er es muy
pequeña, ∆ H= Ea- Er ≅ Ea
En las reacciones térmicas, la velocidad de reacción depende del equilibrio activación-desactivación y de la
velocidad de descomposición del complejo activado:
M + N k 1
k -1
M* + N
k2 M* P1 + P2 Valores de k2 son difíciles de obtener para reacciones térmicas en fase condensada porque las velocidades
medidas son siempre combinaciones de esos tres pasos. En fase gaseosa, sin embargo, k2 es medible, pero
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los valores no son transferibles directamente a las reacciones en fase líquida porque las especies
reaccionantes en la fase gaseosa no están solvatadas.
4.3.1.1 Teoría del cuasi-equilibrio
Dos teorías casi idénticas enunciadas en 1952 permiten interpretar las reacciones unimoleculares en la fase
gaseosa a alto vacío. Una de ellas, la teoría del cuasi-equilibrio (Quasi-Equilibrium Theory: QET), se
aplica en Espectrometría de Masas. La otra, que se identifica con la letra inicial del apellido de sus autores
RRKM (Rice, Rampsberger, Kassel, Marcus), se aplica a moléculas neutras. Nos ocuparemos de la teoría
del cuasi-equilibrio.
La teoría del cuasi-equilibrio se basa en varias consideraciones y postulados:
-Se asume que los movimientos de rotación, vibración, electrónico y traslación son independientes unos
de otros.
-El movimiento de los núcleos puede ser expresado en términos de la Mecánica Clásica con algunas
correcciones cuánticas menores.
-Se establece que todos los estados microscópicos son igualmente probables, en otras palabras, todos los
grados de libertad del sistema participan en la distribución de la energía con la misma probabilidad.
-El sistema puede ser descrito mediante movimientos en una superficie multidimensional, existiendo una
superficie límite que separa los reaccionantes de los productos. Esa superficie puede ser atravesada
solamente en una dirección, de manera que cualquier reaccionante que cruce el estado de transición es
transformado irreversiblemente en producto.
La ionización electrónica de una molécula M para dar un ion molecular en los estados electrónicos base
(M +. ) y excitados (M +. *) ocurre en un período de tiempo muy corto [un electrón acelerado por una
diferencia de potencial de 10 eV adquiere una velocidad de 1.88 x10 8 cm s -1 , por lo que se desplaza una
distancia de 188 pm ( diámetro molecular típico 200 pm) en 10 -16 s; este es el tiempo de interacción entre
un electrón ionizante y una molécula, y la ionización tiene que ocurrir en ese intervalo].
El proceso de interacción ocurre en un tiempo mucho menor que el movimiento vibratorio más rápido
(Figura 4.39), de manera que la distancia entre los átomos no cambia durante la ionización. Por lo tanto, la
ionización es una transición vertical a los diferentes estados electrónicos excitados accesibles según el
principio de Franck Condon, como se muestra para una especie diatómica en la Figura 4.41.
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Figura 4.41 Curvas de Morse para estados
electrónicos base de la molécula (M) y base y
excitados del ion molecular (M +. y M +.* ). La
rápida ionización es vertical de acuerdo con el
principio de Franck-Condon y puede conducir
a estados electrónicos base o excitados del ion
molecular. La relajación puebla los diferentes
niveles vibracionales del estado electrónico
base del ion pudiendo conducir a
fragmentaciones.
Luego de la ionización, la energía se distribuye sobre los diferentes grados de libertad en forma estadística.
El intercambio rápido de energía interna se realiza no solamente entre los grados de libertad del mismo
estado electrónico, sino también entre todos los grados de libertad de todos los estados electrónicos del ion
molecular. Esos intercambios llevan a la conversión de la energía electrónica adquirida durante la
ionización en energía vibracional y rotacional del nivel electrónico base del ion molecular M + . Los estados
electrónicos excitados de la molécula ionizada pueden estar poblados inicialmente, pero la rápida relajación
conduce al estado electrónico base, generalmente antes de que la fragmentación sea efectiva. Así, los
procesos de fragmentación del ion molecular son inducidos a partir de este nivel electrónico base en el cual
se ha acumulado gran energía vibracional. Los iones moleculares de estados electrónicos excitados no
sobreviven en la fuente de ionización, porque relajan, dan lugar a fragmentación o retornan a su estado
electrónico base por emisión de un fotón. Los iones moleculares que abandonan la fuente de ionización
generalmente contienen una energía interna baja.
La energía electrónica es incapaz por sí misma de originar la fragmentación del ion molecular. La
fragmentación requiere la relajación o conversión interna previa de la energía electrónica en energía
vibracional. Se puede demostrar experimentalmente que la distribución estadística de la energía se lleva a
cabo en el lapso de tiempo correspondiente a algunas vibraciones, esto es, menos de 10 -10 s. Nótese que
este intervalo de tiempo es muy corto con respecto al tiempo transcurrido en la fuente de ionización, que es
al menos de 10 -7
s.
En conclusión, de acuerdo con la teoría del cuasi-equilibrio, las transiciones entre todos los niveles de
energía posibles del ion son suficientemente rápidas, tal que se establece un cuasi-equilibrio entre esos
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niveles de energía antes de que tenga lugar la descomposición. De esta forma, las diferentes
fragmentaciones posibles de un ion dependen solamente de su estructura y energía interna. No influyen
factores tales como el método utilizado para la ionización inicial, la estructura del precursor o los
mecanismos de formación. Se han encontrado algunas excepciones a lo establecido por la teoría del cuasiequilibrio
especialmente en moléculas pequeñas.
4.3.1.2 Diagrama de Wahrhaftig
La ionización de las moléculas de una muestra con electrones de 70 eV produce iones moleculares cuyos
valores de energía interna cubren un amplio rango. La probabilidad P(E) de encontrar el ion molecular con
una determinada energía E se representa en la parte superior del diagrama de Wahrhaftig de la Figura 4.42
para una molécula hipotética ABCD.
Se debe recordar que para iones gaseosos formados en una fuente EI bajo las condiciones usuales de
operación de un espectrómetro de masas, solamente son posibles reacciones unimoleculares, y que la
naturaleza y extensión de esas reacciones depende exclusivamente de la estructura y energía interna de cada
ion; siendo independientes del método de ionización utilizado. En ausencia de colisiones, la energía interna
de cada ion es la depositada originalmente en éste por el proceso de ionización, (más la pequeña cantidad
de energía térmica que se encuentra inicialmente en la molécula precursora) que causa la descomposición o
isomerización del ion. La probabilidad de cualquiera de las reacciones de fragmentación se expresa como la
constante de velocidad k, la cual crece con la energía interna del ion precursor. La variación del log k con
E se representa para dos reacciones en la parte inferior de la Figura 4.42. Se puede apreciar que los iones
moleculares con los valores de la energía interna más bajos no tendrán una velocidad de descomposición
importante y aparecerán como M +. en el espectro de masas.
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Figura 4.42 Diagrama de Wahrhaftig : relaciones de P(E) y
log k(E) para la fragmentación ionica unimolecular de ABCD +.
Una constante de velocidad de aproximadamente 10 6 s -1 o mayor es necesaria para que ocurra la
descomposición en la fuente de ionización (tiempo de vida aproximado de 10 -6 s o menor). Precisamente,
log k = 6 sobre la curva para la disociación M +. +. +.
→ AD establece la energía interna mínima de M
para la formación de AD +. , la cual es algo mayor que la energía crítica de reacción E0 (AD +. ). E0 (AD +. )
se define como la diferencia entre la energía de punto cero de M +. y la del complejo activado para M +. →
AD +. . Para iones moleculares con energías elevadas, k (M +. → AB + ) se hace mayor que k (M +. → AD +. ),
favoreciéndose la formación de AB + .
Las fragmentaciones de iones metaestables son reacciones con valores de constantes de velocidad
justamente por debajo del mínimo requerido para la fragmentación del ion en la fuente. La reacción da
espectros con picos de iones metaestables en un estrecho rango de valores de k, entre 10 5 y 10 6 s -1
Iones AD +. en el espectro de masas de M +. , designados como m* (M +. → AD +. ), surgen con elevada
probabilidad a partir de iones M +. que tengan energías comprendidas en el rango entre Em(AD +. ) y
Es(AD +. ) . Sus abundancias se representan por el área estrecha correspondiente bajo la curva P(E).
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Las reacciones que implican la formación de un complejo "apretado"(Figura 4.43), los cuales originan un
desplazamiento cinético grande, tenderán a dar fragmentaciones iónicas que originan iones metaestables
más abundantes. De la misma forma, los iones metaestables m* (M +. → AB + ) tienen que surgir de
aquellos iones M +. con energías correspondientes a valores de k comprendidos entre 10 5 y 10 6 ; pero en
cambio la probabilidad de la fragmentación M +. → AD +. es mucho más elevada, tal que [m* (M +. →
AB + )] será solamente una fracción pequeña de los iones formados, indicada por el área correspondiente
bajo la curva P(E) de M +. . Debe aclararse que las abundancias relativas deducibles del diagrama de
Wahrhafting corresponden a la descomposición del ion de partida y no del espectro de masas, que
dependerá también de las fragmentaciones secundarias de los nuevos iones formados.
La mayoría de los iones, bien se disocia dentro de la fuente de ionización, o resulta estable dentro del
tiempo de medición, de manera que es muy pequeña la proporción de iones que se fragmenta durante el
tiempo de vuelo entre la fuente de ionización y el detector. Como resultado de ello, modificaciones del
tiempo de vuelo en el instrumento a través de cambios en el potencial de aceleración en la fuente o por
acoplamiento con otros instrumentos no modifican sustancialmente la apariencia de los espectros de masas.
Así, los espectros de masas con fuente de ionización EI presentan muy buena reproducibilidad. De hecho,
los bancos de datos de espectrometría de masas utilizados con fines comparativos se basan esencialmente
en espectros registrados con este tipo de fuente de ionización.
4.3.1.3 Efectos termodinámicos y efectos cinéticos
La molécula hipotética ABCD, cuyo diagrama de Wahrhaftig se mostró en la Figura 4.42, nos permite
ilustrar otro importante aspecto de las fragmentaciones unimoleculares: la reacción con menor energía
crítica no produce necesariamente el ion más abundante. Puede trazarse una analogía con reacciones en fase
condensada. En estas reacciones la temperatura puede elevarse para favorecer al producto deseado cuando
éste se obtiene por medio de un control cinético. En la Figura 4.43 se muestran los estados de transición
posibles para la fragmentación del ion radical ABCD +. .
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Figura 4.43 Diagrama de los estados de transición posibles
de la fragmentación de ABCD +.
En el reordenamiento que conduce a la formación de AD +. se forman dos nuevos enlaces lo cual compensa
la energía requerida para la ruptura de los enlaces A-B y C-D. La energía crítica para la formación de AD +.
es relativamente baja (complejo apretado). Por otra parte, la energía crítica para la formación de AB + es
alta porque se requiere la ruptura del enlace B-C (complejo blando). La reacción de formación de AD +.
tiene una entalpía más favorable que la reacción de formación de AB + . Por otro lado, los requerimientos
estéricos para la formación de AD +. son mucho más restrictivos que los correspondientes a la formación de
AB + . Para iones de alta energía ABCD +. , la disociación del enlace B-C puede tener lugar siempre que se
acumule energía suficiente en ese enlace. Sin embargo, para la formación de AD +. , deben que mantenerse
los requerimientos relativos a la energía pero al mismo tiempo A y D se tienen que encontrar a distancia
comparables a las de un enlace, lo cual es cierto solamente para una pequeña proporción de todas las
conformaciones posibles de ABCD +. : la reacción de formación de AB + tiene una entropía más favorable
que la reacción de formación de AD +. . Como se muestra en la Figura 4.41 cuando el ion molecular posee
gran energía interna se favorece la formación de AB + .
Esas compensaciones de efectos de entropía y entalpía, en general, originan un número sustancial de
reacciones primarias competitivas, así como de reacciones secundarias consecutivas y otras reacciones; de
manera que el espectro de masas de una molécula con un elevado número de átomos puede tener cientos de
picos. La naturaleza competitiva de esas reacciones puede significar que cambios relativamente pequeños
en la estructura molecular den lugar a grandes diferencias en las abundancias de los picos. Por esta razón, al
interpretar un espectro de masas es de mucha ayuda auxiliarse de los espectros conocidos de sustancias
estrechamente relacionadas con la que se estudia.
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4.3.2 Factores estructurales que influyen en la abundancia de los iones.
Como un complemento práctico a los aspectos previamente discutidos sobre los mecanismos básicos de
fragmentación en espectrometría de masas, se resumen a continuación algunas ideas generales útiles para
predecir fragmentaciones iónicas unimoleculares en términos de principios químicos básicos.
(a) Estabilidad del ion producto. El factor general más importante que afecta la abundancia de un ion
producto es su estabilidad. Entre los elementos claves de estabilización de iones se incluye la existencia
de electrones en OM no enlazantes debidos a la presencia de heteroátomos en la molécula, tal como ocurre
en el ion acetilo CH3- C + = O ↔ CH3 - C ≡ O + y la estabilización por resonancia, como ocurre en el catión
alílico CH2= CH - CH2 + ↔ + CH2 -CH =CH2 y en el catión benzoílo C6H5CH2 + . Para iones OE +. los
isómeros con los sitios de la carga y del radical separados (iones radicales distónicos) pueden ser más
estables que sus contrapartes clásicas : CH3CH2CH2CH=O +. → . CH2CH2CH2=O + H; CH3NH2 +. →
.
CH2N + H3 .
(b) Regla de Stevenson. La ruptura de enlace simple en un ion con electrón no apareado (OE +. ) puede
conducir a dos conjuntos de ion y producto radicálico : ABC +. puede dar A + + BC . ó A . + BC + . El
fragmento con la tendencia más alta a retener el electrón no apareado debe tener la energía de ionización
más alta. Así, debe existir una alta probabilidad de que se forme el fragmento iónico correspondiente al
valor de energía de ionización más bajo. Dado que este ion es esencialmente el más estable, debe ser el
más abundante del par complementario de iones resultantes a partir de la ruptura de enlace.
(c) Pérdida del grupo alquílico más grande. Una excepción notable, en la cual la abundancia decrece con
el incremento de la estabilidad del ion es la preferencia por la pérdida del radical alquílico más grande en
un sitio reactivo:
+. .
C2H5 - CH(CH3) - C4H9 → C4H9 > . C2H5 > . CH3 > .
H
(d) Estabilidad de los productos neutros. Aunque la estabilidad de los productos iónicos es generalmente
mucho más determinante en el camino de reacción, la estabilidad de la especie con el electrón no
apareado, o especie neutra en general, puede ser un factor importante. Como causa de la estabilización
.
radicálica se incluye la originada por sitios electronegativos,tales como un átomo de oxígeno (radical OR)
o resonancia ( . CH2 - CR = OH + ↔ CH2 = CR - OH +. ). El producto neutro puede ser también una
molécula. Se favorecen aquellas moléculas pequeñas con energía de ionización elevada, tales como : H2;
CH 4 ; H2O ; C2H4 ; CO; NO ; CH3OH ; H2S ; HCl ; CH2=C=O ; CO2.
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(e) Entropía /factores estéricos. Existen reacciones con requerimientos bajos de entalpía para dar lugar al
producto con mayor estabilidad, pero que tienen requerimientos restrictivos para las posiciones que ocupan
los átomos en el estado de transición. Un ejemplo de ello lo constituyen las reacciones con reordenamiento,
en las cuales la estructura del estado de transición representará solamente una fracción muy pequeña de las
conformaciones iónicas posibles. Así, para los mismos iones precursores de energías internas elevadas, se
puede favorecer la disociación que tenga los requerimientos menos restrictivos de la entropía, tal como la
ruptura de un simple enlace, que tiene una elevada barrera entálpica.
4.3.2.1 Fragmentación de cationes con electrón no apareado (OE +. ) o cationes radicálicos
En los cationes radicálicos la carga está deslocalizada sobre toda la molécula. Se asume que los sitios
radicálicos y cargados más favorecidos en el ion molecular surgen de la pérdida del electrón de menor
energía de ionización de la molécula. De acuerdo con esto, cuando se escribe una reacción de
fragmentación, se representa la carga como localizada sobre el sitio que tiene la menor energía de
ionización. Dado que el orden de ionización observado es n > π > σ , los heteroátomos con baja energía de
ionización llevarán preferentemente la carga. El símbolo que se ha utilizado ( +. ) al final de la molécula
significa que se trata de un ion con electrón no apareado sin especificar la naturaleza bien del radical o del
sitio de carga. Por otra parte, el uso bien de (+) o ( . ) en un sitio dado de la molécula indica la localización
de la carga o del radical.
Reacciones de ruptura iniciadas por sitios de carga positiva envuelven atracción de un par electrónico
porque la carga positiva corresponde a la pérdida de un electrón. El movimiento de un par electrónico
induce una ruptura heterolítica con migración del sitio de carga. Por su parte, reacciones de ruptura
iniciadas por un sitio radicálico surgen a partir de su fuerte tendencia al apareamiento electrónico. Un
electrón no apareado es donado para formar un nuevo enlace lo que induce una ruptura homolítica con
migración del sitio del electrón no apareado. Así, los sitios de carga y radicálicos inducen reacciones de
ruptura diferentes. Las iniciadas por una carga se indican por (i) y las iniciadas por un radical por (α).
La fragmentación de esos cationes radicálicos sin reordenamiento alguno o sin ruptura de un número par de
enlaces, tal, como ocurre en los anillos, necesariamente lleva a un ion con electrones apareados o de capa
cerrada y a un radical neutro.
4.3.2.2 Disociación directa (σ)
La expulsión de un electrón de un enlace σ puede conducir a la disociación directa del enlace químico,
denominándose fragmentación σ . Uno de los fragmentos mantiene la carga y el otro es un radical:
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R-R' + e R-R' + 2e
R-R'
R + R'
R + R'
De acuerdo con la regla de Stevenson, si dos fragmentos cargados compiten para producir un radical neutro
mediante la captura de un electrón, se producirá el radical que tenga la energía de ionización más elevada.
El ion que acompaña a la formación del radical mantendrá la carga y se observará en el espectro de masas.
El radical correspondiente al ion que mantiene la carga es el de menor energía de ionización.
La fragmentación puede ser considerada como una reacción de competición entre dos cationes para obtener
al electrón:
R + +
.... e.... R'
En la Figura 4.44 se muestran dos ejemplos de la regla de Stevenson. En el espectro de masas del 2,2
dimetilheptano, la energía de ionización del radical terbutílico es menor que la del radical n-pentílico, de
manera que se observa con preferencia el pico en m/z 57 correspondiente al ion terbutílico. Dado que la
energía de ionización del radical alílico es menor que la del radical metílico, en el espectro de masa del 1buteno
el pico más intenso corresponde a los iones-fragmentos alílicos que se encuentra en m/z 41. La
regla de Stevenson se aplica solamente a la formación competitiva de fragmentos iónicos.
4.3.2.3 Ruptura de un enlace adyacente a un heteroátomo
El enlace adyacente a un heteroátomo puede ser roto por una reacción iniciada por un sitio de carga, esto es,
por atracción de un par electrónico de ese enlace, y se denomina como una ruptura inducida (i):
R-CH 2-Y-R'
i
R-CH 2 + Y-R'
Esta ruptura del enlace adyacente a un heteroátomo puede ser vista como una disociación directa asistida
por una sustracción electrónica inducida debido a la diferencia de electronegatividad, pero esto ocurre
después de la ionización.
En principio se aplica la regla de Stevenson, de acuerdo con la cual la ruptura del enlace adyacente
envuelve una migración radicálica y retención de carga si la energía de ionización de . YR' es menor que la
de RCH2 .
. La reacción se clasifica como un caso especial de una ruptura de enlace σ y puede ser escrita de
la manera siguiente:
σ
R - CH2 - Y - R' R - CH2 + Y - R
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Figura 4.44 Ejemplo de la regla de Stevenson. Espectros de masas del 2.2
dimetil pentano y el 1-buteno.
4.3.2.4 Ruptura de un enlace alfa (α)
El enlace alfa respecto al sitio del catión radicálico puede romperse por una reacción iniciada en un sitio
radicálico, esto es, por una trasferencia del electrón no apareado para formar un nuevo enlace respecto a un
átomo adyacente (átomo α) con ruptura de otro enlace de ese átomo. El enlace formado se compensa
energéticamente con el enlace que se rompe. El proceso se describe en términos de una fragmentación α
iniciada por un sitio radicálico.
R - CH 2 - Y - R'
α
R + CH 2 = Y - R'
En el diagrama una media flecha indica el desplazamiento de un electrón. Cuando Y= átomo de oxígeno,
este átomo cargado positivamente en el catión es isoelectrónico con el átomo de nitrógeno y forma tres
enlaces covalentes.
Algunas veces son posibles varias rupturas competitivas. Por ejemplo, la pérdida del radical de mayor
energía de ionización es generalmente observada en unión de otras posibilidades. Sin embargo, si varias
cadenas alquílicas pueden perderse como radicales, se favorece la pérdida de la cadena más larga.
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De acuerdo con la regla de Stevenson, la ruptura del enlace alfa debe envolver retención radical y
migración de carga si la energía de ionización de . CH2YR' es mayor que la de R .
La reacción contraparte se clasifica como un caso especial de ruptura de enlace σ y puede ser escrita de la
manera siguiente:
σ
R - CH2 - Y - R' R + CH2 - Y - R'
Los siguientes ejemplos ilustran el funcionamiento de los diferentes mecanismos de fragmentación en la
interpretación de espectros de masas. En el caso del éter etil t-butílico (Figura 4.45), el ion t-butílico es
muy estable y el átomo de oxígeno posee una elevada electronegatividad, de manera que cuando se
produce la ruptura del enlace carbono-oxígeno en este ion-radical molecular, la carga eléctrica es retenida
por el ion t-butílico, mientras que el átomo de oxígeno transporta el electrón. El resultado es que se observa
un pico en m/z 57 y no en m/z 45 (CH3CH2O + ). De acuerdo con el mecanismo correspondiente a la ruptura
α , se pierde un radical . CH3 , lo que origina un pico en m/z 87, a partir del cual, por reordenamiento, se
pierde etileno y aparece el pico base del en m/z 59.
El espectro de masas del eter 2-butil etílico se muestra en la Figura 4.46. La fragmentación alfa inducida
por el sitio radicálico tiene dos posibilidades de perder un grupo metilo y solamente una para la pérdida de
un grupo etilo, lo cual conduce a los fragmentos con 87 y 73 Th respectivamente. Se puede observar que
la pérdida del radical hidrocarbonado más largo es preferente, seguida de la pérdida de una molécula de
etileno por la vía de un reordenamiento de hidrógeno, la cual domina el espectro a 45 Th. En el mismo
sentido, la pérdida de un grupo metilo seguida por la eliminación de etileno lleva al fragmento de 59 Th.
También se observa la ruptura del enlace adyacente, que origina el catión butílico (57 Th).
.
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Espectrometría de Masas
Figura 4.45 Espectro de masas y fragmentaciones del éter etil
t-butílico.
Figura 4.46 Espectro de masas y fragmentaciones del éter
etil 2-butílico
En la Figura 4.47 se muestran dos ejemplos en los cuales compiten diferentes mecanismos de reacción. En
(a) se muestra el EM-EI del 2-feniletil-etil-éter; aquí la ruptura alfa iniciada por un sitio radical origina un
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Espectrometría de Masas
pico en m/z 59. También se observa el pico en m/z 91 que se debe a la ruptura del enlace alfa con migración
de carga. En el EM-EI del sulfuro de isopropilmetilo (b) la ruptura del enlace adyacente iniciada por la
carga origina un pico en m/z 43. Además, se observa un pico en m/z 47 debido a la reacción
correspondiente a la ruptura de enlace con retención de carga.
Figura 4.47 (a) Espectro de masas de 2-feniletil etil eter
(b) Espectro de masas de sulfuro de isopropil metilo.
4.3.2.5 Competición entre las rupturas de enlaces adyacente y alfa
La ruptura de enlace adyacente ocurre más fácilmente si el heteroátomo es voluminoso. En el caso de
átomos vecinos, el más electronegativo hace más fácil la ruptura del enlace adyacente. La ruptura alfa se
hace predominante en el caso de donores electrónicos, observándose el orden siguiente:
Br, Cl < R . < enlace π < S < O < N
Por esta razón, los halógenos causan con preferencia la pérdida del radical X . a través de la ruptura del
enlace adyacente, mientras que las aminas pierden casi exclusivamente un radical por la vía de la ruptura
alfa . Por ejemplo, en el caso de la butilamina, el pico más intenso corresponde al ion que se obtiene por
una ruptura alfa iniciada por un radical de acuerdo con:
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NH 2
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α
CH 2 = NH 2 +
m/z = 30
Por otra parte, en el butanotiol, la fragmentación principal ocurre por la vía de la ruptura del enlace
adyacente y formación del catión butílico (m/z 57) con pérdida de un radical HS .
:
SH
i
α
m/z = 57
CH 2 = SH
m/z = 47
La ruptura alfa por iniciación radicálica (m/z 47, CH2 = S +
H) también se observa, aunque con mucha
menor intensidad.
4.3.2.6 Fragmentaciones de cationes radicálicos con reordenamiento
Los reordenamientos que pueden ocurrir en la Espectrometría de Masas son muy numerosos y en ocasiones
hacen muy difícil la interpretación de los espectros. No obstante, algunos son frecuentes, muy específicos y
se tiene una buena comprensión en cuanto a cómo ocurren. El reordenamiento de McLafferty es uno de los
mejores ejemplos. Este reordenamiento consiste en la migración de un átomo de hidrógeno que ocupa una
posición γ respecto a un centro inductor insaturado. El catión radicálico que se origina es distónico, pues sus
sitios de carga y radicálico están alejados en la estructura molecular. El reordenamiento es seguido
entonces, bien por una fragmentación inducida por un sitio radicálico o por un sitio de carga, originando en
ambos casos una molécula neutra y un nuevo catión radicálico. En ausencia de átomos de nitrógeno, esos
iones tienen una masa par y son detectados con facilidad en el espectro de masas.
En la Figura 4.48 se muestra el espectro de masas de la 2-hexanona. En el caso de las cetonas ambos
caminos (i) y (α) conducen a idénticos productos con la excepción de la carga. Observe que el catión cuyo
radical tiene la menor energía de ionización es el predominante. En este caso el enol es mejor estabilizado
por la resonancia con el par libre del átomo de oxígeno. El pico predominante a m/z 43 corresponde a la
ruptura alfa iniciada por el radical:
O +
+
+
SH
+ CH 3 - CO +
m/z = 43
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Espectrometría de Masas
Figura 4.48 Reordenamiento de McLafferty a través de
un estado de transición cíclico de seis átomos.
4.3.2.7 Fragmentación de cationes con número par de electrones (EE + )
Cuando se utiliza una fuente EI, en ella se forma un catión radicálico molecular. Ese catión radicálico se
fragmenta en un radical y un catión con número par de electrones, o a través de reordenamientos o
múltiples pasos, en una molécula neutra y en un nuevo catión con electrón no apareado. El último
fragmento OE +.
se reconoce con facilidad en el espectro de masas por su masa par (en ausencia de átomos
de nitrógeno).
Las técnicas de ionización blandas, tales como FAB, CI, ESI, MALDI y otras; producen especies
moleculares con número par de electrones, la mayoría de las veces debido a la adición o abstracción de un
+
protón. Los cationes con número par de electrones (EE ) son comunes en química y sus reacciones son
mucho más familiares para los químicos, en contraste con lo que ocurre en el caso de los cationes con
número impar de electrones (OE +. ), que son casi exclusivos de la Espectrometría de Masas. Las especies
moleculares (EE + ) son generalmente más estables que las especies (OE +. ) producidas por una fuente EI y
desde un punto de vista analítico generan espectros más simples. Sin embargo, comparadas con la fuente
EI, en las fuentes de ionización blandas los reordenamientos son más frecuentes y variados, dando origen
usualmente espectros que contienen menos información y resultan más difíciles de interpretar que los
espectros de masas-EI. Por otra parte, las técnicas blandas permiten determinar la masa molecular con
320

Espectrometría de Masas
mayor facilidad y pueden además ser más sensibles a pequeños cambios estructurales, como se ilustra
mediante el ejemplo siguiente.
H
O
H
cis
O
H
H
O
trans
H
O
Los espectros de masas-EI de los isómeros cis- y trans-1,4-ciclohexanodiol son esencialmente idénticos. El
espectro de masas-CI del isómero trans da un pico correspondiente a (M + H - H2O) + que es relativamente
más intenso que el del isómero cis, lo cual permite distinguir los isómeros mediante Espectrometría de
Masas. La diferencia se origina debido a la probabilidad de formación de un enlace por puente de hidrógeno
en el caso del isómero cis y a la fragmentación asistida y ciclización en el caso del isómero trans.
La producción de un catión radicálico a partir de un ion con número par de electrones (EE + ) o ion de capa
cerrada está necesariamente acompañada por un radical correspondiente a la ruptura homolítica de un
enlace:
EE + → OE +. + R .
Este proceso es usualmente muy endotérmico y por lo tanto improbable. Una estimación estadística basada
en un gran número de espectros de masas muestra que un ion (EE + ) da fragmentos (EE + ) en
aproximadamente un 95% de los casos.
Las posibilidades de fragmentación de los iones (EE + ) y OE +.
OE r
EE + R
OE + M
EE
H
H
O +
+ H 2O
se resumen de la manera siguiente :
OE + R
EE + M
r indica la existencia de un reordenamiento previo a la ruptura . En ausencia de átomos de nitrógeno, los
cationes radicálicos OE +. tienen masas pares y los cationes EE + masas impares.
4.3.2.8 La regla de la paridad y las fragmentaciones
La ruptura del enlace que es adyacente al sitio de carga con migración de la carga, es un proceso de
fragmentación común que ocurre especialmente cuando la ruptura permite la eliminación de una molécula
estable pequeña. Por ejemplo, alcoholes protonados en métodos de ionización blandos usualmente pierden
agua:
321

Espectrometría de Masas
R- OH + H + → R- OH2 +
R- OH2 + → R + + H2O
McLafferty propuso la clasificación de reacciones de iones con número par de electrones que obedecen la
regla de la paridad (un ion EE + da un ion EE +
más un fragmento neutro) en los términos siguientes:
(a) Ruptura de un enlace con migración de carga.
+ O
H
H
CH 3 - CH 2
+ H 2O
(b) Ruptura de un enlace con ciclización y migración de carga.
H
N
O
N +
H
CR 2
H
N
+
O
+ HN = CR 2
(c) Ruptura de dos enlaces en un ion cíclico con retención de carga.
H H
+ + H 2
(d) Ruptura de dos enlaces con reordenamiento y retención de carga.
H
H
O +
CH 3
CH 2 = CH 2 + CH 3 - O
Las reacciones (a) y (b) son las más favorables en ausencia de activación por colisiones.
Por su parte, las reacciones de iones con número par de electrones (EE + ), que no obedecen la regla de la
paridad, son muy raras y más difíciles de predecir. Son observadas en iones con sistemas electrónicos π
extendidos, pero ello implica frecuentemente reordenamientos complejos.
H
H
322

Espectrometría de Masas
4.3.2.9 Mecanismo de fragmentación de retro Diels-Alder
En Química Orgánica la reacción de Diels-Alder es la formación de compuestos cíclicos no saturados a
partir de un dieno y un dienófilo insaturado. Por analogía con esta reacción se ha formulado un mecanismo
para explicar la fragmentación inducida por la ionización electrónica en la Espectrometría de Masas de las
olefinas cíclicas no saturadas.
El ciclohexeno es la sustancia más simple que puede sufrir la fragmentación de retro Diles-Alder. Los picos
en m/z 54(80%) y 28(10%) de su espectro de masas-EI son ejemplos de ello, como se muestra en el
esquema siguiente:
e
a
m/z 54
El mecanismo consiste en la ruptura homolítica del doble enlace, lo cual origina especies intermediarias
que se fragmentan para dar, bien iones butadieno ( 54 Th) y etileno neutro o iones etileno (28 Th) y
butadieno neutro.
Este mecanismo de fragmentación puede ser altamente específico en dependencia de la posición del doble
enlace, incluso en moléculas policíclicas complejas, tales como terpenos y alcaloides. El doble enlace
fragmentado puede ser una parte de un anillo aromático orto-condensado, como ocurre en la tetralina y sus
heteroanálogos.
+
+
CH 2
CH 2
m/z 28
323