Spettrometria di massa

• In primo luogo, esploreremo il funzionamento della spettrometria di massa.
• Esploreremo poi il modo in cui è possibile determinare la massa molecolare utilizzando la spettrometria di massa.
• In seguito, esploreremo come determinare la struttura dei composti.
• Infine, esamineremo un esempio per consolidare le nostre conoscenze.

Come funziona la spettrometria di massa?

La spettrometria di massa è una delle invenzioni più sorprendenti nel mondo della chimica analitica ed è molto importante per qualsiasi chimico e non solo. Uno spettrometro di massa constiste di tre parti principali:

• Una sorgente di ioni
• Un analizzatore di massa
• Un sistema di rilevamento di ioni

Il processo inizia l'introduzione del campione del nostro campione liquido contente il composto sconosciuto all'interno dello spettrometro di massa. All'interno dello strumento, le molecole verranno convertite in ioni allo stato gassoso da una sorgente di ioni. Una volta ionizzati, gli ioni vengono separati in base al loro rapporto massa/carica (m/z).

Figura 1. Spettro di massa

Gli ioni vengono poi rilevati e i risultati dello spettrometro di massa sono presentati su un grafico chiamato spettro di massa. Sull'asse delle ordinate è riportata l'abbondanza relativa, mentre sull'asse delle ascisse è riportato il rapporto massa su carica, noto come m/z. Ogni picco nello spettro di massa indica quindi un componente con uno specifico valore m/z.

Abbiamo già detto che la molecola può perdere elettroni, dando origine a uno ione positivo, dopo il processo di ionizzazione all'interno dello spettrometro di massa. L'energia in eccesso del processo di ionizzazione può essere trasferita allo ione stesso. Questo può far vibrare la molecola, innescando la rottura di alcuni legami e portando infine il composto a rompersi in diversi frammenti. È importante capire che la frammentazione può avvenire ovunque all'interno di una molecola e che ulteriori frammenti possono avvenire da molecole che sono già frammenti. I frammenti appaiono anche nello spettro di massa.

Trovare la massa atomica relativa

Come già detto, quando si analizza un composto attraverso spettrometria di massa, viene prodotto uno spettro di massa. Lo spettro di massa ci dà informazioni sul valore m/z e sull'abbondanza relativa degli ioni molecolari (M^·+). A partire da queste informazioni possiamo trovare la massa atomica relativa. Ci basterà fare una media ponderata dei diversi picchi isotopici tenendo in considerazione il loro valore m/z e l'abbondanza relativa. Ad esempio, se abbiamo tre picchi: uno con m/z 10 e abbondanza relativa 20% e l'altro con m/z 11 e abbondanza relativa 100% la massa atomica relativa sarà:

\[ \frac{(10 \times 20) + (11 \times 100)}{120} = 10{,}83 \,. \]

Pattern di frammentazione

Ora che abbiamo analizzato uno degli aspetti più importanti della spettrometria di massa, analizziamo il secondo aspetto più importante: come scoprire la struttura di un composto organico. Ma prima dobbiamo esaminare un termine chiamato pattern di frammentazione.

All'inizio di questo articolo abbiamo detto che i composti possono rompersi in frammenti. Di conseguenza, anche i frammenti vengono rilevati, causando picchi nello spettro di massa. I frammenti sono importanti perché ci permettono di capire la struttura dell'intero composto. Come possiamo determinare la massa relativa di un composto leggendo il valore m/z, possiamo leggere i diversi picchi per misurare la massa relativa dei diversi frammenti.

In generale, ci saranno molti picchi, ma ce ne sono alcuni comuni che possiamo riconoscere e che ci aiuteranno a determinare la struttura del nostro composto perchè ci danno informazioni sui gruppi funzionali presenti nella molecola.

Ad esempio:

• m/z 13 indica un gruppo metilico (-CH₃).
• m/z 17 indica un gruppo alcolico (-OH).

Struttura dei composti organici

Dopo aver identificato la struttura dei diversi frammenti, possiamo mettere insieme le informazioni per determinare la struttura del nostro composto finale. Quindi, prendendo in considerazione l'esempio precedente, il picco più grande si trova a m/z 86. Questo picco indica la massa relativa totale del nostro composto sconosciuto. Possiamo usare i nostri metodi di deduzione per determinare la struttura.

Ad esempio, possiamo capire che non è possibile avere un composto a 7 atomi di carbonio, in quanto 7 x 12 = 84, il che significherebbe che solo 2 idrogeni sarebbero presenti nel composto, il che non può succedere. Proviamo allora con 6 atomi di carbonio, questa opzione potrebbe essere possibile in quanto 6 x 12 = 72. Se sottraiamo questo valore a 86, otteniamo 14, e 14 idrogeni si adatterebbero ai carboni. Quindi, la struttura del composto sconosciuto è C₆H₁₄ e la massa relativa del composto sconosciuto è 86. Questo è il modo in cui possiamo usare la spettrometria di massa.

Esempi di spettrometria di massa

Per consolidare le nostre conoscenze, esaminiamo un esempio.