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Massenspektrometrie Skript zum Kurs "Spektroskopische Methoden in der Anorganischen und Organischen Chemie", 6. Aufl., MS-Abt. am OCI, INF 270, Heidelberg, März 2003. Internet: http://www.rzuser.uni-heidelberg.de/~bl5 Methode Die Entwicklung der Massenspektrometrie geht auf Arbeiten von J. J. Thomson im Jahre 1910 zurück, in denen er zeigte, daß das Edelgas Neon aus einer Mischung von zwei Isotopen der Massen 20 und 22 besteht. Grundprinzip der Massenspektrometrie Grundprinzip der Massenspektrometrie (MS) ist es, aus anorganischen oder organischen Substanzen in geeigneter Weise Ionen zu erzeugen, diese Ionen nach ihrer Masse und Ladung zu trennen und sie mit einem Registriersystem nach Masse und Häufigkeit qualitativ und quantitativ zu erfassen. Die Ionisation der Substanzen kann thermisch, durch elektrische Felder oder durch Beschuß der Probe mit Elektronen, Ionen oder Photonen erfolgen. Die im allgemeinen positiven Ionen können einzelne ionisierte Atome oder Cluster, ionisierte Moleküle, deren Bruchstücke oder Assoziate sein. Die Ionentrennung erfolgt durch statische oder dynamische elektrische und magnetische Felder oder auch durch die Flugzeit. Erzeugung isolierter Ionen in der Gasphase Trennung der Ionen nach m/z Detektion und Meßdatenerfassung Ionenquelle Analysator Detektor Abb. 1 Blockbild eines Massenspektrometers und Funktion der Baugruppen. Die Massenspektrometrie ist keine zerstörungsfreie Methode wie IR-, UV/VIS- oder NMR- Spektroskopie. Stattdessen wird der Analyt bei der Messung verbraucht. Wegen ihrer enormen Empfindlichkeit kann der Substanzverbrauch allerdings meist vernachlässigt werden (ca. 1-50 µg für Routinespektren, bis pg-Bereich in der Spurenanalytik). Terminologie Als Massenspektrum (oft ebenfalls abgekürzt als MS), das eine zweidimensionale Information von Ionenhäufigkeit vs. Ionenmasse zu Ladungs-Verhältnis (m/z) darstellt, werden die bei der Ionisierung einer Substanz erzeugten Ionen entweder gleichzeitig oder zeitlich nacheinander registriert. Die Intensität wird aus der Fläche oder einfach der Höhe der Signale, der sogenannten Peaks, ermittelt und üblicherweise auf den intensivsten Peak im Spektrum, den sogenannten Basispeak (base peak) normiert (rel. Int. %). Massenspektren werden entweder als Strichspektrum dargestellt oder als Profilspektren, die die Peakform erkennen lassen. Die Alternative bzw. Ergänzung dazu ist ein Peaklisting, das die exakte Information zu Masse und Intensität enthalten kann.

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MassenspektrometrieSkript zum Kurs Spektroskopische Methoden in der Anorganischen und

Organischen Chemie 6 Aufl MS-Abt am OCI INF 270 Heidelberg

Maumlrz 2003 Internet httpwwwrzuseruni-heidelbergde~bl5

MethodeDie Entwicklung der Massenspektrometrie geht auf Arbeiten von J J Thomson im Jahre1910 zuruumlck in denen er zeigte daszlig das Edelgas Neon aus einer Mischung von zwei Isotopender Massen 20 und 22 besteht

Grundprinzip der MassenspektrometrieGrundprinzip der Massenspektrometrie (MS) ist es aus anorganischen oder organischenSubstanzen in geeigneter Weise Ionen zu erzeugen diese Ionen nach ihrer Masse und Ladungzu trennen und sie mit einem Registriersystem nach Masse und Haumlufigkeit qualitativ undquantitativ zu erfassen Die Ionisation der Substanzen kann thermisch durch elektrischeFelder oder durch Beschuszlig der Probe mit Elektronen Ionen oder Photonen erfolgen Die imallgemeinen positiven Ionen koumlnnen einzelne ionisierte Atome oder Cluster ionisierteMolekuumlle deren Bruchstuumlcke oder Assoziate sein Die Ionentrennung erfolgt durch statischeoder dynamische elektrische und magnetische Felder oder auch durch die Flugzeit

Erzeugung isolierter Ionenin der Gasphase

Trennung der Ionen nach mz

Detektion undMeszligdatenerfassung

Ionenquelle Analysator Detektor

Abb 1 Blockbild eines Massenspektrometers und Funktion der Baugruppen

Die Massenspektrometrie ist keine zerstoumlrungsfreie Methode wie IR- UVVIS- oder NMR-Spektroskopie Stattdessen wird der Analyt bei der Messung verbraucht Wegen ihrer enormenEmpfindlichkeit kann der Substanzverbrauch allerdings meist vernachlaumlssigt werden (ca 1-50 microg fuumlr Routinespektren bis pg-Bereich in der Spurenanalytik)

TerminologieAls Massenspektrum (oft ebenfalls abgekuumlrzt als MS) das eine zweidimensionale Informationvon Ionenhaumlufigkeit vs Ionenmasse zu Ladungs-Verhaumlltnis (mz) darstellt werden die bei derIonisierung einer Substanz erzeugten Ionen entweder gleichzeitig oder zeitlich nacheinanderregistriert Die Intensitaumlt wird aus der Flaumlche oder einfach der Houmlhe der Signale dersogenannten Peaks ermittelt und uumlblicherweise auf den intensivsten Peak im Spektrum densogenannten Basispeak (base peak) normiert (rel Int ) Massenspektren werden entwederals Strichspektrum dargestellt oder als Profilspektren die die Peakform erkennen lassen DieAlternative bzw Ergaumlnzung dazu ist ein Peaklisting das die exakte Information zu Masse undIntensitaumlt enthalten kann

Dr J H Gross
Die Hinterlegung dieses Skripts bei organische-chemiech zum Download ist vom Author gestattet13Die Verwendung zu Lehrveranstaltungen an anderen Einrichtungen fuumlr Forschung und Lehre ist - soweit das PDF-Dokument unveraumlndert bleibt -ebenfalls gerne gestattet In diesem Fall oder auch wenn Sie Anmerkungen Verbesserungsvorschlaumlge oder Korrekturen anbringen moumlchten bitte ich aber um eine Nachricht Die Kontaktadresse finden Sie auf unserer Homepage httpwwwrzuseruni-heidelbergde~bl513Vielen Dank13Juumlrgen Gross

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Als Totalionenstrom (total ion current TIC) bezeichnet man die Summe der Stroumlme die vonden Ionen aller mz-Werte im Spektrum erzeugt wird Auszliger auf den Basispeak kann manSpektren auch auf TIC oder auf TIC40 dh TIC oberhalb mz 40 normieren

Normalerweise handelt es sich bei dem Ion houmlchster Masse im Massenspektrum um dasMolekuumllion das zugehoumlrige Signal wird als Molpeak bezeichnet Die uumlbrigen Ionen sinddaraus direkt oder mehrstufig gebildete Fragmentionen sog Primaumlr- und Sekundaumlr-fragmentionen

Abb 2 Massenspektrum einer Verbindung Um welche Verbindung handelt es sich

Ionenchemie in der GasphaseElektronenstoszligionisationDie Elektronenstoszligionisation (electron ionization EI) ist die universellste Ionisationsmethodeder organischen Massenspektrometrie Unter EI-Bedingungen werden die zu untersuchendenMolekuumlle isoliert in der Gasphase bei 10-5ndash10-6 mbar mit Elektronen hoher kinetischerEnergie (meist 70 eV) beschossen Dabei werden aus dem Molekuumll ein oder seltener zweiElektronen herausgeschlagen Aus dem Molekuumll M wird so das Molekuumllion M+ einRadikalkation (open-shell ion odd-electron ion) oder ggf ein doppelt geladenes Ion M2+

(closed-shell ion even-electron ion)

M + e- rarr M+ + 2 e- Ionisation

EI ist eine harte Ionisationsmethode Die Ionen werden mit einem groszligen Uumlberschuszlig aninnerer Energie erzeugt und koumlnnen daher bereits in der Ionenquelle entweder zu einemclosed-shell Ion und einem Radikal (radikalische Spaltung) oder zu einem neuen Radikalionund einem neutralen Molekuumll fragmentieren (Umlagerungsfragmentierung)

M+ rarr A+ + B Fragmentierung in Ion und Radikal

M+ rarr A + B+

M+ rarr C+ + D Umlagerungsfragmentierung

Die Primaumlrfragmente haben zum Teil noch genuumlgend innere Energie um weiter zu zerfallenEs finden daher gleichzeitig Konkurrenz- und Folgereaktionen in der Ionenquelle statt Je

6 11 16 21 260

20

40

60

80

100

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houmlher die innere Energie eines Ions ist um so schneller fragmentiert es ZunehmendeStabilitaumlt des Ions fuumlhrt zu einem intensiveren Peak im Spektrum da es langsamerweiterzerfaumlllt Closed-shell Ionen fragmentieren fast ausnahmslos unter Neutralabspaltungradikalische Spaltungen treten quasi nur aus open-shell Ionen auf (Even-electron rule)Die Ionisation folgt dem Franck-Condon-Prinzip dh der Ionisationsvorgang ist sehr schnell(ca 10-16 s) verglichen mit den Molekuumllschwingungen (10-12ndash10-13 s) Man darf daher davonausgehen daszlig das Molekuumllion zumindest anfaumlnglich noch die Struktur des neutralen Molekuumllsbesitzt

Thermodynamische AspekteDie Thermodynamik der Prozesse von der Ionisation bis zur Bildung der Fragmente sei amFormaldehyd-Verlust aus Anisol erlaumlutert Bei der Wechselwirkung von 70 eV Elektron undMolekuumll wird meist wesentlich mehr Energie als Ionisierungsenergie (IE fruumlher Ionisierungs-potenial IP) auf das Molekuumll uumlbertragen Die IE ist die Differenz der Bildungsenthalpien vonMolekuumll und Molekuumllion in ihren Grundzustaumlnden Der Uumlberschuszlig ist die innere Energie desMolekuumllions ε die als Schwingungs- und Rotationsanregung vorliegt Wurde soviel Energieuumlbertragen daszlig gerade eben die Aktivierungsenergie εo einer Zerfallsreaktion uumlberwundenwerden kann treten deren Produkte im Spektrum auf Dies ist die Auftrittsenergie (AE) einerReaktion besser ihrer Produkte

Abb 3 Definitionen der Thermochemie isolierter Ionen am Beispiel Anisol Die Reaktion nach links verlaumluftuumlber einen Fuumlnfring-Uumlbergangszustand die Reaktion nach rechts uumlber einen Vierring Letztere liefert mitBenzol-Molekuumllion und Formaldehyd die thermodynamisch stabileren Produkte und so den groumlszligeren KER(Metastable Ions 1973)

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Quasi-Equilibrium-TheorieDamit eine Reaktion mit endlicher Geschwindigkeit ablaufen kann (k gt 0) wird etwas mehrEnergie als das AP benoumltigt d h es muszlig eine Uumlberschuszligenergie im Uumlbergangszustand

ε = ε minus εovorhanden sein Nach der vereinfachten Quasi-Equilibrium-Theorie (QET) gilt fuumlr dieGeschwindigkeitskonstante der Ausdruck

k(ε) = ν (ε ε)n

darin ist ν eine Zeitkonstante und n beruumlcksichtigt die Zahl der inneren Freiheitsgrade VomUumlbergangszustand aus gesehen besteht eine Uumlberschuszligenergie εexcess relativ zu denProdukten die im wesentlichen der Aktivierungsenergie der Ruumlckreaktion εor entspricht EinTeil von εor liegt dann als Schwingungsanregung der Fragmente vor und ermoumlglicht so derenFolgezerfaumllle Der Rest wird als kinetische Energie T auf die Fragmente uumlbertragen (kineticenergy release KER) was sich in deren gegenseitigem Auseinanderfliegen aumluszligert EinfacheBindungsspaltungen fuumlhren zu sehr kleinem KER von 10ndash50 meV da die Rekombination vonRadikalen mit Ionen fast ohne Aktivierungsenergie verlaumluft

Massenspektrometrische ZeitskalaAm Beispiel eines unter EI erzeugten Ions von mz 100 und einem ZAB-2F Sektorfeld-MS beiU = 8 kV veranschaulicht Holmes die massenspektrometrische Zeitskala Man beachte dielogarithmische Zeitachse fuumlr die Ionenquelle In der Groumlszligenordnung stimmt diese Zeitskalaauch fuumlr andere Ionisationsmethoden undoder Analysatortypen

Abb 4 Massenspektrometrische Zeitskala (Holmes OMS 20 169 1985)

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Identifizierung des MolpeaksNicht immer handelt es sich beim massenhoumlchsten Signal im Spektrum um den MolpeakManche Molekuumllionen fragmentieren schon bei geringer innerer Energie sehr schnell ZurIdentifizierung des Molpeaks kann daher ein Spektrum bei niedriger Primaumlrelektronenenergiehelfen Diese wird in einem Energiebereich in der Naumlhe der IE gewaumlhlt Bei organischenMolekuumllen sind das ca 7ndash15 eV Man erhaumllt Molekuumllionen die kaum noch fragmentierenkoumlnnen so daszlig der Molpeak relativ intensiver auftritt als die Fragmentionenpeaks Insgesamtwird die Intensitaumlt der Ionen bei niedriger Elektronenenergie erheblich herabgesetzt wie sichaus der Kurve der Ionisationsausbeute ablesen laumlszligt Liefert ein Molekuumll bei 70 eVElektronenenergie keinen Molpeak so kann oft auch bei 15 eV kein Signal gefunden werdenDeshalb weicht man besser auf die sog sanften Ionisationsmethoden aus

Abb 5 Verteilung der Ionenausbeute als Funktion der Primaumlrelektronenenergie Bei 70 eV liegt ein Plateau hierist die Ionenausbeute fuumlr alle Substanzen vergleichbar und optimal Daher benutzt man 70 eV bei der Aufnahmevon Routine-EI-Spektren (Schroumlder 1991)

Abb 6 EI-Spektren von Ethylacetat bei a) 14 eV b) 20 eV und c) 60 eV Mit zunehmender Elektronenenergienimmt die rel Int von M+ stark ab Ein Vergleich mit der Kurve der Ionenausbeute zeigt aber daszlig die absoluteIntensitaumlt von M+ allenfalls gleich bleibt diese ist jedoch entscheidend fuumlr die Detektion eines Signals(Chapman 1993)

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Funktion eines MassenspektrometersIonenquelleDie Funktion der Ionenquelle besteht darin aus dem Analyten isolierte Ionen in der Gasphasezu erzeugen und diese zum Analysator hin zu beschleunigen Je nach Analysatortyp undIonisationsmethode koumlnnen die Anforderungen an diese Baugruppe stark variieren

Im Falle der EI-Ionenquelle verdampft die Substanz entweder aus einem beheizbaren Tiegeloder aus einen Referenzeinlaszligsystem in das vom Elektronenstrahl durchquerteIonisationsvolumen Im Schnittpunkt der beiden Strahlen findet die Ionisation statt DieIonisationswahrscheinlichkeit liegt bei nur 10-3ndash10-5 trotzdem ist EI eine Technik mit extremniedriger Nachweisgrenze Nicht ionisierte oder durch Wandstoumlszlige neutralisierte Teilchenwerden von einem leistungsstarken Vakuumsystem abgepumpt Bei lt 10-6 mbar sind dieIonen isoliert in der Gasphase Der Repeller verbessert die Extraktion der Ionen aus derIonenquelle Die Beschleunigungsspannung U liegt zur Fokussierung des Ionenstrahls in denAnalysator verteilt uumlber mehrere Blenden an

Abb 7 Schema einer typischen EI-Ionenquelle Der neutrale Molekularstrahl tritt senkrecht zur Papierebene indie Quelle ein (Schroumlder 1991)

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den AnalysatorAlle im Ionisationsvolumen der Ionenquelle erzeugten Ionen durchlaufen ein Potentialgefaumllledie Beschleunigungsspannung U das variabel gewaumlhlt werden kann Typische Werte sind 1bis 10 kV Daher treten die Ionen der Masse m und der Ladung q = ze mit hoher kinetischerEnergie in den Analysator ein Fuumlr einfach geladene Ionen gilt q = e und damit

e U = 12

m v2 = Ekin

Bei konstanter Spannung U besitzen alle einfach geladenen Ionen unabhaumlngig von ihrer Massegleiche kinetische Energie Es ist ohne Einfluszlig ob es sich um Molekuumllionen oderFragmentionen handelt solange sie vor dem Eintritt in das Beschleunigungsfeld gebildetwurden Die Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator betraumlgt

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v = 2eUm

Laumlszligt man die Einheiten beiseite kann man eine Schnellformel daraus erhalten

mzU 13900= v

Offenbar haumlngt die Geschwindigkeit der Ionen bei gegebener Beschleunigungsspannung vonder Masse der Ionen ab Laumlszligt sich das ausnutzen

Analysator

Generell werden Massenspektrometer nach ihrem Analysator bezeichnet d h nach denverschiedenen Methoden zur Ionentrennung nach mz

Sektorfeldgeraumlte (B BE EB EBE EBEB BEBE)Magnetische (B) und elektrische (E) Sektorfelder senkrecht zur Flugrichtung der Ionen

Quadrupolgeraumlte (Q QqQ)Uumlberlagerung zeitlich konstanter und hochfrequenter elektrischer Quadrupolfelder in linearenQuadrupolen (Q Massentrennung q nur fokussierende Wirkung)

Quadrupol-Ionenfallen (Trap IT Quistor)Uumlberlagerung zeitlich konstanter und hochfrequenter elektrischer Quadrupolfelder in einerPaul-Falle Erlaubt Speicherung der Ionen

Ionencyclotronresonanzgeraumlte (ICR)Elektrische Anregung in sehr starkem Magnetfeld (3-7 T) und Bestimmung derCyclotronresonanzfrequenz Erlaubt Speicherung der Ionen

Flugzeitgeraumlte (TOF)Bestimmung der Flugzeit (time-of-flight) der Ionen Benoumltigt eine gepulste Ionenquelle

Hybridgeraumlte (BEqQ BEtrap EBE-TOF)Kombination verschiedener Analysatoren fuumlr MSMS billiger als Multi-Sektorfeld

Der Analysator im SektorfeldmassenspektrometerIn einem doppelfokussierenden Sektorfeldmassenspektrometer werden die Ionen durch eineAnordnung aus einem homogenen Magnetfeld (B-Sektor) und einem zylindrischenelektrischen Feld (E-Sektor electrostatic analyzer ESA) nach mz getrennt Man unterscheidetBE- und EB-Geometrie Der Analysator ist zur Ionenquelle durch den Eintrittsspalt (sourceslit entrance slit object slit) zum Detektor durch den Austrittsspalt (collector slit image slit)begrenzt

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Abb 8 Das VG ZAB-2F und das neuere Jeol JMS-700 des Organisch-Chemischen Instituts sind typische BE-Sektorfeldgeraumlte Die Abbildung zeigt das Schema des ZAB-2F

Flugbahn im homogenen MagnetfeldDie Feldlinien des magnetischen Sektorfeldes mit der Feldstaumlrke B stehen senkrecht zurBewegungsrichtung der Ionen Als Folge der Lorentz-Kraft laufen die Ionen auf einer Kreis-bahn deren Radius rm durch Gleichheit von Lorentz-Kraft und Zentrifugalkraft bestimmt istFuumlr einfach geladene Ionen gilt und senkrechten Eintritt ins Magnetfeld laumlszligt sich vereinfachtdie skalare Beziehung schreiben

e Bv = m vr

r = mvB e

2

m

m

Der Bahnradius im B-Sektor ist also dem Impuls p = m v der Teilchen proportionalUmformen nach me liefert

me

r Bv

m=

Nach Einsetzen von v erhaumllt man

me

r B meU

=2

und darausme

= r B 2U

m2 2

Diese Gleichung ist auch als massenspektrometrische Grundgleichung bekannt Wegen derVielzahl von in der MS-Praxis genutzten Analysatortypen gibt es aber eigentlich nicht mehrnur eine Grundgleichung

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Flugbahn im elektrischen FeldIm elektrischen Feld der Feldstaumlrke E fliegen die Ionen auf einer Kreisbahn deren Radiusbestimmt wird durch die Beziehung

e E = mvr

r = m ve E

r = 2UE

2

e

e 2

e

Das elektrische Feld wirkt als Energiefilter Da es die Energieunschaumlrfe der Ionen eliminiertwird die erreichbare Massenaufloumlsung eines doppelfokussierenden Sektorfeldgeraumltesgegenuumlber einem reinen B-Sektorfeldgeraumlt um ein Vielfaches erhoumlht

AufloumlsungsvermoumlgenAls Massenaufloumlsung oder Aufloumlsungsvermoumlgen R (resolution) definiert man R = M∆MDabei kann ∆M von Peaktop zu Peaktop durch die Peakbreite bei 10 Houmlhe (10 Tal-Definition seltener bei 5 Houmlhe) oder bei 50 Houmlhe (Full width at half maximum FWHM)gemessen werden Es gilt 18R10 = RFWHM Durch Variation der Spaltweiten laumlszligt sich dieAufloumlsung eines guten Sektorfeldgeraumltes im Bereich von ca 500ndash50000 variieren SteigendeAufloumlsung verringert allerdings betraumlchtlich die Transmission

Abb 9 Die verschiedenen Definitionen der Aufloumlsung in der MS

Metastabile Ionen und Stoszligaktivierungs-MSInstabile IonenDie meisten Molekuumllionen zerfallen schon 10-12ndash10-6 s nach der Ionisation als Folge ihrerhohen inneren Energie Da die Verweilzeit im Ionisationsvolumen etwa 10-6 s betraumlgt werdennur noch deren Zerfallsprodukte in das Beschleunigungsfeld eintreten und schlieszliglich

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detektiert werden Ionen mit einer Lebensdauer lt 10-6 s werden in der MS deshalb alsinstabile Ionen bezeichnet

Stabile IonenMolekuumllionen mit geringer innerer Energie koumlnnen keine Zerfallsschwelle uumlberwinden Wennsie in einem Potentialminimum existieren sind sie unter den Bedingungen des Massen-spektrometers (bei lt 10-6 mbar isoliert in der Gasphase) stabil

Metastabile IonenNicht alle die Ionenquelle verlassenden Ionen uumlberleben die Flugzeit bis zum Detektormanche zerfallen im Transit Diese Ionen werden als metastabile Ionen bezeichnet Man kanndefinieren metastabile Ionen haben eine Lebensdauer in der Groumlszligenordnung von 10ndash6ndash10ndash5 s

Scantechnik beim SektorfeldgeraumltDa der Radius des B-Sektors und Ekin der Ionen festgelegt sind variiert man zur Aufnahmevon Massenspektren der in der Ionenquelle gebildeten Ionen die magnetische Feldstaumlrke Bsog B-Scan oder M-Scan Uumlblich sind Scanraten von 1ndash10 sDecade z B mz 50ndash500 in 5 sbei 5 sDecade Eine andere Methode ist die proportionale Variation von Beschleunigungs-spannung und ESA-Spannung sog E-Scan oder HV-Scan Wegen der damit verbundenenDefokussierung der Ionenquelle kann nur ein kleinerer Massenbereich ca 50 des amMagneten eingestellten mz-Wertes abgedeckt werden

Zerfaumlllt ein metastabiles Ion der Masse m1 d h nachdem es die volle Beschleunigungs-spannung durchlaufen hat in einer feldfreien Region (FFR) vor dem B-Sektor in eingeladenes Bruchstuumlck der Masse m2 und ein ungeladenes der Masse n = (m1-m2) dann fliegendie Produkte m2 und n mit der unveraumlnderten Geschwindigkeit v1 = v2 weiter

v = 2eUm

11

Der Bahnradius r2 des geladenen Bruchstuumlckes m2 beim Durchfliegen des B-Sektors ist

= me B

2 1r2v

Nach Einsetzen von v1 erhaumllt man

r2 22

1 = 1

B 2 m U

m eDas Bruchstuumlck der Masse m2 wird demnach bei einer effektiven Massenzahl

m = m22 m1

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im Massenspektrum registriert sofern es sich um ein B- oder EB-Geraumlt handelt BE-Geraumltezeigen keine metastabilen Ionen im Spektrum da diese wegen ihrer verringerten kinetischenEnergie nicht den E-Sektor passieren koumlnnenDie Untersuchung metastabiler Ionen ist eine wichtige Methode in der Chemie isolierter Ionenin der Gasphase Deshalb wurde eine Vielzahl von Scantechniken fuumlr Sektorfeldmassen-spektrometer entwickelt die es erlauben die Zerfaumllle metastabiler Ionen in einer FFR vor demB-Sektor oder auch vor dem E-Sektor zu registrieren Daraus lassen sich Informationen uumlberintrinsische Eigenschaften der Ionen und uumlber Zerfallsmechanismen gewinnen Auch fuumlrlineare Quadrupol- Quadrupol-Ionenfallen- ICR- und TOF-Massenspektrometer gibt esTechniken zur Untersuchung isolierter Ionen auf die hier aber nicht naumlher eingegangenwerden kann Generell bezeichnet man diese Techniken als Tandem-MS MSMS oder MSnda inzwischen auch mehrstufige MS-Experimente realisiert werden koumlnnenBeim Einsatz der sanften Ionisationsmethoden werden nahezu ausschlieszliglich stabileMolekuumllionen erzeugt Um dennoch Strukturinformation zu erhalten kann man dieFragmentierung durch Stoszligaktivierung (collisionally induced dissociation CID collisionalactivation CA) erzwingen Dazu wird der Ionenstrahl durch eine Stoszligkammer mit einemneutralen Stoszliggas (He Ar N2) geschickt Die Umgebung der Stoszligkammer wird durch dasdifferentielle Pumpsystem unter Hochvakuum gehalten Bei den hochenergetischen Stoumlszligenmit den Gasatomen werden die Ionen aumlhnlich angeregt wie bei der EI-Ionisation DieFragmentionen werden dann mittels Tandem-MS analysiert

Detektor

Der einfachste Detektor ist ein Faraday cup ein kleiner Metallbecher der die Ionen sammeltund sich dabei elektrisch auflaumldt Die Ladung flieszligt uumlber einen Widerstand von 10ndash100 MΩab uumlber den der Spannungsabfall gemessen und nach Verstaumlrkung registriert wird DiesesSystem wird nur noch in der Isotopen-MS eingesetzt

Heute werden oft Sekundaumlrelektronen-Vervielfacher (SEV secondary electron multiplierSEM) benutzt Der Ionenstrahl trifft auf eine Konversionsdynode aus einemHalbleitermaterial dadurch werden Elektronen freigesetzt die auf die naumlchste Dynode hinbeschleunigt werden Uumlber 14ndash17 Stufen uumlber die insgesamt 1ndash3 kV anliegen wird so eineVerstaumlrkungskaskade ausgeloumlst (Faktor 106ndash108) Der Strom wird verstaumlrkt und in einSpannungssignal umgewandelt

Anstelle einzelner Dynoden kann man eine kontinuierliche Bauart des SEV verwenden dasChanneltron Das Channeltron ist ein kleines gebogenes Houmlrnchen uumlber das vom Eintritt biszum Ende 1ndash3 kV angelegt werden

Schneidet man ein Buumlndel tausender zusammengesinterter Glaskapillaren mit entsprechenderBeschichtung der Innenwaumlnde in duumlnne Scheiben entsteht eine Anordnung bei der jeder

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dieser feinen Kanaumlle wie ein kleines Channeltron wirkt Dies ist eine sog Microchannel plate(MCP ca 2ndash5 cm Durchmesser) Die groszlige Oberflaumlche erlaubt eine sehr empfindlicheDetektion eintreffender Ionen uumlber einen groszligen Raumwinkel (vorteilhaft bei TOF-MS)

Anstatt das Signal der gesamten MCP zusammenzufassen kann man es auch ortsaufgeloumlstregistrieren Solch ein Array-Detektor kann simultan einen bestimmten Massenbereich ( ca5ndash10 des eingestellten mz eines Sektorfeldgeraumlts) in 512ndash2048 Kanaumlle detektieren und soeine im Vergleich zum SEV 100-fach houmlhere Empfindlichkeit erreichen

DatensystemDie Leistungsfaumlhigkeit moderner Massenspektrometer wird zu einem nicht unerheblichen Teildurch das zur Meszligdatenerfassung und -auswertung verwendete Datensystem bestimmt Auchdie Geraumltesteuerung wird bei modernen Systemen ausschlieszliglich uumlber den Rechner ab-gewickelt Gute Software kann einen gewaltigen Beitrag zu Probendurchsatz undQualitaumltssicherung beisteuern (Leider fuumlhren fully automated and easy to use-Geraumlte nichtselten zu einem gewissen Dilettantismus in der MS)

Grundlagen der Spektreninterpretation

Isotopie der ElementeDie meisten Elemente sind keine Reinelemente d h sie kommen nicht monoisotopisch vorMan kann grob folgende massenspektrometrisch relevante Gruppen einteilen (fuumlr die uumlbrigenElemente sei auf die gaumlngige MS-Literatur verwiesen)

1 Reinelemente wie 19F 31P 127I oder 133Cs

2 Elemente mit einem Hauptisotop und ein oder zwei Begleitisotopen von sehr geringerHaumlufigkeit (lt 03 ) Dazu gehoumlren 1H 14N 16O Fuumlr die meisten Zwecke lassen sie sich wiedie Reinelemente beruumlcksichtigen

3 Elemente mit einem Hauptisotop und ein oder zwei Begleitisotopen von geringerHaumlufigkeit (lt 5 ) Dazu gehoumlren 12C 28Si und 32S

4 Elemente die mit zwei Isotopen vergleichbarer Haumlufigkeit auftreten wie 10B 11B oder dieHalogene 35Cl 37Cl und 79Br 81Br

5 Elemente mit mehreren Isotopen und relativ gleichmaumlszligiger Verteilung wie Hg Sn Ru etc

Information aus den IsotopenpeaksDie Haumlufigkeit der Molekuumlle die ein Molgewicht haben das 1 2 3 oder mehr Massen-einheiten uumlber dem Molgewicht des monoisotopischen Molekuumlls liegt haumlngt ab von derAnzahl der vorhandenen Atome und von der relativen Haumlufigkeit der Isotope in denbeteiligten Elementen

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Element M M+1 M+2Masse Masse Masse

H 1 100 2 0015 - -B 10 248 11 100 - -C 12 100 13 11 - -N 14 100 15 037 - -O 16 100 17 004 18 020F 19 100 - - - -Si 28 100 29 51 30 34P 31 100 - - - -S 32 100 33 08 34 44Cl 35 100 - - 37 320Br 79 100 - - 81 980I 127 100 - - - -

Tabelle 1 Isotopenverteilung einiger Elemente normiert auf das haumlufigste Isotop Es wurden nur die in der MSrelevanten Isotope der Elemente aufgefuumlhrt

Der 13C-PeakZwar hat jedes C-Atom nur zu 11 die Chance als 13C aufzutreten doch beim Kohlenstoffist 13C relevant da oft eine groszlige Zahl von C-Atomen in einem Molekuumll vorkommt ImMethan betraumlgt die Intensitaumlt des M+1 Peaks bei mz 17 daher etwa 11 der Intensitaumlt desPeaks bei mz 16 im Hexan hat M+1 mz 73 ca 66 der Intensitaumlt von mz 72

M+1 M+2 M+1 M+2 M+3C1 11 0 C20 22 23 02C2 22 001 C30 33 52 05C4 44 007 C40 44 94 13C6 66 018 C50 55 15 15

C10 110 054 C60 66 21 46C14 154 11 C100 110 60 22

Tabelle 2 Beitraumlge zum M+1 M+2 und M+3 Signal in rel des monoisotopischen Signals durch 13C-Anteil inCn-Verbindungen

M+2 ElementeBei Elementen die hauptsaumlchlich ein schweres Isotop in groumlszligerer Haumlufigkeit enthalten wieSchwefel Silicium Chlor und Brom kann die Isotopenverteilung nach folgendem verein-fachten Ausdruck berechnet werden

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(a + b)n

a ist die relative Haumlufigkeit des leichten Isotopsb ist die relative Haumlufigkeit des schweren Isotopsn ist die Anzahl der Atome des betrachteten Elements im Molekuumll

Si und S zeigen kleine aber deutliche Isotopenpeaks die einen Ruumlckschluszlig auf dasVorhandensein dieser Elemente erlauben Bei Cl und Br schlieszliglich machen die Isotopenpeaksderen Anwesenheit unverkennbarBesonders bei Si und S koumlnnen Uumlberlagerungen mit dem 13C- oder anderen Mustern leichtzum Verwischen fuumlhren Man beachte auszligerdem daszlig die Halogene M M+2 M+4 M+6liefern waumlhrend der Abstand bei Si und S nur 1 u betraumlgt In allen Faumlllen muszlig x (Abb 10)mindestens der Masse der Elementkombination entsprechen z B x = 70 bei Cl2 sonst kannes sich nicht um ein Isotopenmuster handeln

Si Si2 Si3

x +2 x +2 x +2

5134

1071

1511

x +2 x +2

S S2

44 88

Abb 10 Die wichtigsten Isotopenmuster der organischen MS Hier sind die Muster der jeweiligen Elemente sogezeigt wie sie sich ohne Uumlberlagerung mit dem Isotopenmuster des Kohlenstoffs ergeben

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exakteIsotopenmasse

relativeHaumlufigkeit

Massen-uumlberschuszlig

relativeAtommasse

Isotop Nominal-masse

amu mmu amu

1H 1 1007825 99985 782 100792H 2 2014102 0015 141010B 10 10012938 199 1294 1081111B 11 11009305 801 93012C 12 12000000 9890 0 1201113C 13 13003355 110 33514N 14 14003074 99634 307 14006715N 15 15000109 0366 01116O 16 15994915 99762 -508 15999417O 16 16999131 0038 -08618O 18 17999159 0200 -08419F 19 18998403 1000 -159 189984

23Na 23 22989770 1000 -1023 22989828Si 28 27976928 9223 -2307 28085529Si 29 28976496 467 -235030Si 30 29973772 310 -262331P 31 30973763 1000 -2623 30973832S 32 31972072 9502 -2792 3206633S 33 32971459 075 -285434S 34 33967868 421 -3213

35Cl 35 34968853 7577 -3114 35452737Cl 37 36965903 2423 -341039K 39 38963708 932581 -3629 39098340K 40 39963999 00117 -360041K 41 40961825 67302 -381879Br 79 78918336 5069 -8165 7990481Br 81 80916290 4931 -8365127J 127 126904477 1000 -9564 1269044

Tabelle 3 Isotopenhaumlufigkeit exakte Isotopenmassen und relative chemische Atommassen einiger Elemente

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Hochaufloumlsende Massenspektrometrie und exakte Masse

Die relativen Atommassen sind nach IUPAC auf Kohlenstoff bezogen Genauer eineatomare Masseneinheit equiv 1 u equiv 112 der Masse des Kohlenstoffisotops 12C Neben u sind auchdie Bezeichnungen amu (atomic mass unit) und Da (Dalton) in Gebrauch(Die Definition vor 1961 war 1 Masseneinheit ME equiv 116 der Masse Sauerstoffisotops 16ODamit ergeben sich geringfuumlgig andere Atommassen Man muszlig deshalb auf das Erscheinungs-jahr von Massentabellen achten)

MassendefektDie Differenz von exakter Masse zu Nominalmasse wird als Massendefekt (mass deficiency)bzw Massenuumlberschuszlig bezeichnet Alkane und Alkylionen besitzen wegen ihres hohen 1H-Gehalts den groumlszligten Massenuumlberschuszlig dann folgen Amide und Peptide Polyether undPolyalkohole wie Oligosaccharide Kohlenstoff als 12C hat definitionsgemaumlszlig keinenMassendefekt Massendefekte werden oft in halogenierten Verbindungen und generell beimVorliegen von Schweratomen beobachtet Bereits ab mz 500 kann man mit Nominalmassen(H 1 u C 12 u O 16 u ) schon deutlich falsch liegen Das Molkuumllion von C36H74 mz5065790 ist nominal noch mz 506 wuumlrde aber von einem Datensystem ggf zu mz 507aufgerundet Deshalb ist auch bei Verwendung der Nominalmasse eine Dezimalstelleangebracht z B mz 5066

-04-02

002040608

112141618

222242628

3

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

nominale Molmasse (amu)

Mas

send

efek

t (am

u) KohlenstoffNylon-66PEGPTFEPVCPE

Abb 11 Zu bestimmten Gruppen von Summenformeln gehoumlren charakteristische MassendefekteIm Falle von elementarem Kohlenstoff zB bei Fullerenen ist der Wert immer 0 amu Typischeorganische Verbindungen dagegen zeigen Werte von 05-10 amu pro 1000 amu TretenUumlbergangsmetalle oder Halogene auf ist der Wert deutlich verringert und kann sogar unter dieNominalmasse fallen zB bei PFK

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Bestimmung der SummenformelMit doppelfokussierenden Magnetsektorfeldgeraumlten sind Massenaufloumlsungen uumlber 10000 zuerreichen (high resolution HR) So lassen sich Gemische isotopomerer Ionen gleicherNominalmasse wegen ihrer unterschiedlichen exakten Massen trennen und den isotopischenZusammensetzungen zuordnen vorausgesetzt es gelingt eine Zuordnung der Peaks zu einerexakten Masse Dazu verwendet man eine Kalibriersubstanz mit Signalen bekannter exakterMassen als interne Standardisierung der Massenskala Perfluorkerosin (PFK) und andereperfluorierte Verbindungen werden fuumlr die externe Kalibrierung und auch als internerMassenstandard in der EI-HR-MS eingesetzt da sie Ionen mit deutlichem Massendefektbilden die normalerweise leicht von den zu untersuchenden Ionen getrennt werden Ohneinternen Standard waumlre z B bei Auftreten von nur einem der beiden Signale nicht zwischen40Ar+ mz 399624 und C3H4+ mz 400313 zu unterscheiden Demnach werden durchHR-MS Ionenmassen abgesichert und auch zwischen nominal isobaren Eliminierungen z Bvon N2 CO undoder C2H4 kann man klar differenzieren

Mit zunehmender Molmasse kommen jedoch viele Summenformeln in einem experimentellenFehlerbereich von 2ndash5 mmu (milli u) in Frage Bei mz 500 entsprechen 5 mmu einer relativenAbweichung von 10 ppm bei mz 2000 aber nur noch 25 ppm Die Auswahl anSummenformeln im Fehlerintervall wird allerdings oft durch ergaumlnzende Informationeneingeengt Solche Limitierungen ergeben sich aus der Herkunft der Probe (z B nur C H13N und lt 4 O) oder aus dem Isotopenmuster des Molekuumllions (zB 1 Br kein S)

In der Massenspektrometrie kommt der Bestimmung der Summenformel einer unbekanntenSubstanz eine zentrale Bedeutung zu Zwar lassen sich oft schon weitgehende Ruumlckschluumlsseaus dem Isotopenmuster des Molekuumllions ziehen doch eine exakte Massenmessung stellt dieverlaumlszliglichere Information dar da ggf eine Uumlberlagerung des 13C Peaks mit einem [M+H]+

Peak unbekannter Intensitaumlt das Isotopenmuster verfaumllschen Auszligerdem haumlngt der 13C-Gehaltvon der Herkunft der Probe ab was die Bestimmung der Anzahl C-Atome aus dem M+1 Peaklimitiert

Herkunft des Kohlenstoffs 13C

atmosphaumlrisches CO2 1106C3-Pflanzen 1080C4-Pflanzen 1095fossile Stoffe 106-108

Tabelle 4 13C-Gehalt von Kohlenstoff in Abhaumlngigkeit von seiner Herkunft Generell ist der Gehalt derschwereren Isotope in aumlquatorialen Breiten houmlher als in polnahen Regionen

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Ringe plus Doppelbindungen

Wegen der jeweils eigenen Anzahl Valenzen der Elemente berechnet sich die Summe derRinge plus Doppelbindungen r + d (auch Doppelbindungsaumlquivalente DBAuml unsaturationUS) fuumlr ein Molekuumllion der Formel CcHhNnOo nach der Gleichung

r + d = c - 05 h + 05 n + 1Wendet man die Formel auf Pyridin C5H5N an so ergibt sich

r + d = 5 - 05bull5 + 05bull1 + 1 = 5 - 25 + 05 + 1 = 4

Bei Fragmentionen kann der berechnete Wert von r + d auch 05 15 betragen Um denkorrekten Wert zu erhalten rundet man auf die ganze Zahl ab Fuumlr das BenzoylkationC7H5O+ erhaumllt man

r + d = 7 - 05bull5 + 1 = 55

was als r + d = 5 zu interpretieren ist Die Aussage ist dann korrekt wenn man die Fragment-ionen als Carbeniumionen schreibt

O O+

+N N+ +

Treten andere Elemente auf so werden sie nach der Zahl ihrer Valenzen beruumlcksichtigt Sizaumlhlt zu C P zu N S zu O Hal zu H Wenn Elemente houmlhere Valenzen erreichen als in derFormel angenommen werden falsche Werte fuumlr r + d errechnet z B bei SulfoxidenSulfonen Phosphaten Fuumlr jeweils zwei Valenzen mehr als oben angenommen muumlszligte man dieFormel um +1 ergaumlnzen z B Phosphorsaumluretrimethylester C3H9O3P mit 5- statt 3-bindigemPhosphor

r + d = 3 - 45 + 05 + 2 = 1

Man erhaumllt durch diese Rechnung eine Limitierung der Anzahl Strukturvorschlaumlge zu einerSummenformel

Fragmentierungsreaktionen

Ein nicht unwesentlicher Teil der Interpretation von Massenspektren laumlszligt sich durchAnwendung von Zerfallsschemata erreichen Dazu muszlig man die wichtigsten Frag-mentierungsreaktionen verschiedener Ionenspezies kennen Nicht jeder Peak laumlszligt sich sovernuumlnftig erklaumlren Viele Reaktionen sind spezifisch fuumlr eine kleine Gruppe von Ionen ImZweifel ist die Fachliteratur zu Rate zu ziehen Fuumlr die im Kurs abgedeckten Substanzklassenist der Umfang nachfolgender Zusammenstellung ausreichend

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Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen

αααα-Spaltung aktivierter Bindungen

R

O+

α1

α2

RO+

+

O+

R +

α1

α2

Bildung der thermodynamischstabileren Produktpaarung ausIon und Radikal ist bevorzugt

Es wird eine zum Heteroatom α-staumlndigeBindung homolytischgespalten

O+

α

α O+

+ CH3 Das Heteroatom kann

exostaumlndig oder Teileiner Kette sein

O+

H

O+

H

O+

α 15-Hα

O+

+

In alicyclischen Systemen tritt doppelte α-Spaltung unter Umlagerung uumlber distonische Intermediate auf

Als Konkurrenzreaktionwird aber auch die andereProduktpaarung gebildet Deshalb findet man oft zurAbspaltung des Radikals nauch das korrespondierendeIon n+

+

+

R

O

OR

O+

α1

α2

R +

+

α1

α2

Allylspaltung

+

+

+

+

In Alkenen wird bevorzugt die allylische Bindung gespalten wobei das Allylkationgebildet wird

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Alkylspaltung und Olefinverlust aus Alkylkationen

+

+

C2H5

+

C3H7

+ +

- C2H4 28 u

Molekuumllionen mit Alkylketten spalten unselektiv entlang der Kette Alkylradikale abDie gebildeten Alkylkationen gehen Kettenverkuumlrzungen unter Alkenverlust einDaneben treten Isomerisierungen aller Ionenspezies auf

mz 43- CH3

--

Benzylspaltung

+

- C4H9 - C2H2 26 u

mz 77 mz 51

+ +

- C3H7

In Alkylaromaten wird bevorzugt die benzylische Bindung gespalten Es treten die typischen Ionen mz 91 77 65 51 39 oder deren Homologeauf Das Ausmaszlig der Isomerisierung ist verschieden Diese Serie kann aber auch aus nichtaromatischen Ionen gebildet werden wenn die Summenformel C7H7 zustande kommt

- C2H2 26 u

+

+ + +

mz 91 mz 65

- C2H2 26 u

C3H3+

mz 39

+

Die Spaltung der phenylischen Bindung fuumlhrt zu den Ionen bei mz 77 51 Sie ist beiAlkylaromaten weniger bevorzugt

Benzoylverbindungen dagegen bilden durch αminusSpaltung zunaumlchstdas Benzoylkation das unter CO-Verlust zu mz 77 51 weiterfragmentiert

O

R ++

mz 51mz 77

- C2H2 26 u

+

- R

α

+O

- CO 28 u

mz 105

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McLafferty-Umlagerung (ββββ-Spaltung mit γγγγ-H-Transfer)

OH R+

ORH+

15-H OH R+

+

In Molekuumllionen mit C=X-Doppelbindung tritt McLafferty-Umlagerung auf wenn ein γ-H-Atomuumlber die Sechsringkonformation auf X uumlbertragen werden kann Es tritt Alkenverlust aufMan kann die Umlagerung auch konzertiert formulieren

a)

b)

N

H R

+15-H-

N

R+

NR

++

In closed-shell Ionen wird ein analoger Prozeszlig beobachtet Onium-Ionen eliminieren einAlken-Molekuumll unter Bildung eines neuen Onium-Ions

c)

H

R + R

HH

+ HH

+

mz 92

+

R

Alkylaromaten bilden neben der Benzylspaltung mz 92oder Homologe durch McLafferty-Umlagerung DasIon mz 92 ist ein Isomer des Toluol-Molekuumllions

15-H

Eine andere Moumlglichkeit ein Alken aus dem Molekuumllion zu eliminieren ist die

AB

+

A B++

+BAA

B

+

+

Molekuumllionen und closed-shellIonen mit einem Sechsringsystemdas eine Doppelbindung enthaumlltgehen RDA ein Die Dien-Komponentetraumlgt bevorzugt die LadungEs koumlnnen Heteroatome enthalten sein

Retro-Diels-Alder-Reaktion RDA

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R

++N

R

H

Onium-Reaktion

+ HN

Onium-Ionen zeigen Alkenverluste unter Abspaltung des gesamten AlkylrestesDas uumlbertragene H kann aus der ganzen Kette stammen Der Mechanismus isteigentlich komplizierter es treten intermediaumlr Ion-Molekuumll-Komplexe aufWegen der Delokalisierung der Ladung sind sowohl die C=X+-R als auch die R-C+-X-Bindung moumlgliche Positionen fuumlr die Onium-Rkt

a)

c)

OR

+OH+

+R

OR+

+

Vor allem Oxonium-Ionen zeigen neben Alkenverlust auch Aldehydverlust da die Differenz der Protonenaffinitaumlten von Aldehyd und Carbenium-Ion relativ gering istBei genuumlgender innerer Energie gehen alle Onium-Ionen beide Reaktionen ein

b)

NH2R+

+NH2R

R NH2++

OH +O

H

H

+

CO-Verlust aus Phenolen

- CO

mz 9428 u

mz 66

+

+

mz 65

- H

CO-Verlust tritt auszligerdem bei anderen ungesaumlttigten cyclischen Ketonen und beiAcylium-Ionen auf CO-Verlust kann eine thermische Rkt vor der Ionisation sein

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ortho-Effekt oder Retro-14-Addition

OMe

H

O

4

1

+ O+

- MeOH

Bei ortho-substituierten Benzol- und bei 18-substituierten Naphthalinderivatenkoumlnnen Fragmentierungen auftreten die nur durch Wechselwirkung beider Sub-stituenten moumlglich werden Dazu gehoumlren auch OH-Verluste aus Nitroaromaten

Referenzspektren

Anhand von Referenzspektren lassen sich gut substanzklassenspezifische Charakteristikaerkennen Deshalb kommt Spektrenbibliotheken eine groumlszligere Bedeutung als nur die direkteIdentifizierung einer unbekannten Verbindung zu

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NISTEPANIH Mass Spectral Data Base 1998

Tabellen charakteristischer Fragmentionen und MassendifferenzenZur Beachtung

Diese Tabellen sind mit Vorsicht zu genieszligen Es gibt sicher noch viele andere isobareFragmentionen und Massendifferenzen Auszligerdem laumlszligt man sich all zu leicht auf einenbestimmten Interpretationsansatz festlegen

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

30 Amine primaumlre Amine falls

intensiver als homologe

Iminium-Ionen

NH2+

30 Nitroverbindungen NO+

31 Alkohole Ether Acetale wenn intensivstes der

Oxonium-Ionen prim

Alkohol

OH+

32 Sauerstoff meist Untergrund [O2]+

32 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [S]+

33 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [HS]+

34 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [H2S]+

35 Chlorverbindungen plus Isotop 37Cl [Cl]+

36 Chlorverbindungen HCl plus Isotop 37Cl [HCl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 2: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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Als Totalionenstrom (total ion current TIC) bezeichnet man die Summe der Stroumlme die vonden Ionen aller mz-Werte im Spektrum erzeugt wird Auszliger auf den Basispeak kann manSpektren auch auf TIC oder auf TIC40 dh TIC oberhalb mz 40 normieren

Normalerweise handelt es sich bei dem Ion houmlchster Masse im Massenspektrum um dasMolekuumllion das zugehoumlrige Signal wird als Molpeak bezeichnet Die uumlbrigen Ionen sinddaraus direkt oder mehrstufig gebildete Fragmentionen sog Primaumlr- und Sekundaumlr-fragmentionen

Abb 2 Massenspektrum einer Verbindung Um welche Verbindung handelt es sich

Ionenchemie in der GasphaseElektronenstoszligionisationDie Elektronenstoszligionisation (electron ionization EI) ist die universellste Ionisationsmethodeder organischen Massenspektrometrie Unter EI-Bedingungen werden die zu untersuchendenMolekuumlle isoliert in der Gasphase bei 10-5ndash10-6 mbar mit Elektronen hoher kinetischerEnergie (meist 70 eV) beschossen Dabei werden aus dem Molekuumll ein oder seltener zweiElektronen herausgeschlagen Aus dem Molekuumll M wird so das Molekuumllion M+ einRadikalkation (open-shell ion odd-electron ion) oder ggf ein doppelt geladenes Ion M2+

(closed-shell ion even-electron ion)

M + e- rarr M+ + 2 e- Ionisation

EI ist eine harte Ionisationsmethode Die Ionen werden mit einem groszligen Uumlberschuszlig aninnerer Energie erzeugt und koumlnnen daher bereits in der Ionenquelle entweder zu einemclosed-shell Ion und einem Radikal (radikalische Spaltung) oder zu einem neuen Radikalionund einem neutralen Molekuumll fragmentieren (Umlagerungsfragmentierung)

M+ rarr A+ + B Fragmentierung in Ion und Radikal

M+ rarr A + B+

M+ rarr C+ + D Umlagerungsfragmentierung

Die Primaumlrfragmente haben zum Teil noch genuumlgend innere Energie um weiter zu zerfallenEs finden daher gleichzeitig Konkurrenz- und Folgereaktionen in der Ionenquelle statt Je

6 11 16 21 260

20

40

60

80

100

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houmlher die innere Energie eines Ions ist um so schneller fragmentiert es ZunehmendeStabilitaumlt des Ions fuumlhrt zu einem intensiveren Peak im Spektrum da es langsamerweiterzerfaumlllt Closed-shell Ionen fragmentieren fast ausnahmslos unter Neutralabspaltungradikalische Spaltungen treten quasi nur aus open-shell Ionen auf (Even-electron rule)Die Ionisation folgt dem Franck-Condon-Prinzip dh der Ionisationsvorgang ist sehr schnell(ca 10-16 s) verglichen mit den Molekuumllschwingungen (10-12ndash10-13 s) Man darf daher davonausgehen daszlig das Molekuumllion zumindest anfaumlnglich noch die Struktur des neutralen Molekuumllsbesitzt

Thermodynamische AspekteDie Thermodynamik der Prozesse von der Ionisation bis zur Bildung der Fragmente sei amFormaldehyd-Verlust aus Anisol erlaumlutert Bei der Wechselwirkung von 70 eV Elektron undMolekuumll wird meist wesentlich mehr Energie als Ionisierungsenergie (IE fruumlher Ionisierungs-potenial IP) auf das Molekuumll uumlbertragen Die IE ist die Differenz der Bildungsenthalpien vonMolekuumll und Molekuumllion in ihren Grundzustaumlnden Der Uumlberschuszlig ist die innere Energie desMolekuumllions ε die als Schwingungs- und Rotationsanregung vorliegt Wurde soviel Energieuumlbertragen daszlig gerade eben die Aktivierungsenergie εo einer Zerfallsreaktion uumlberwundenwerden kann treten deren Produkte im Spektrum auf Dies ist die Auftrittsenergie (AE) einerReaktion besser ihrer Produkte

Abb 3 Definitionen der Thermochemie isolierter Ionen am Beispiel Anisol Die Reaktion nach links verlaumluftuumlber einen Fuumlnfring-Uumlbergangszustand die Reaktion nach rechts uumlber einen Vierring Letztere liefert mitBenzol-Molekuumllion und Formaldehyd die thermodynamisch stabileren Produkte und so den groumlszligeren KER(Metastable Ions 1973)

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Quasi-Equilibrium-TheorieDamit eine Reaktion mit endlicher Geschwindigkeit ablaufen kann (k gt 0) wird etwas mehrEnergie als das AP benoumltigt d h es muszlig eine Uumlberschuszligenergie im Uumlbergangszustand

ε = ε minus εovorhanden sein Nach der vereinfachten Quasi-Equilibrium-Theorie (QET) gilt fuumlr dieGeschwindigkeitskonstante der Ausdruck

k(ε) = ν (ε ε)n

darin ist ν eine Zeitkonstante und n beruumlcksichtigt die Zahl der inneren Freiheitsgrade VomUumlbergangszustand aus gesehen besteht eine Uumlberschuszligenergie εexcess relativ zu denProdukten die im wesentlichen der Aktivierungsenergie der Ruumlckreaktion εor entspricht EinTeil von εor liegt dann als Schwingungsanregung der Fragmente vor und ermoumlglicht so derenFolgezerfaumllle Der Rest wird als kinetische Energie T auf die Fragmente uumlbertragen (kineticenergy release KER) was sich in deren gegenseitigem Auseinanderfliegen aumluszligert EinfacheBindungsspaltungen fuumlhren zu sehr kleinem KER von 10ndash50 meV da die Rekombination vonRadikalen mit Ionen fast ohne Aktivierungsenergie verlaumluft

Massenspektrometrische ZeitskalaAm Beispiel eines unter EI erzeugten Ions von mz 100 und einem ZAB-2F Sektorfeld-MS beiU = 8 kV veranschaulicht Holmes die massenspektrometrische Zeitskala Man beachte dielogarithmische Zeitachse fuumlr die Ionenquelle In der Groumlszligenordnung stimmt diese Zeitskalaauch fuumlr andere Ionisationsmethoden undoder Analysatortypen

Abb 4 Massenspektrometrische Zeitskala (Holmes OMS 20 169 1985)

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Identifizierung des MolpeaksNicht immer handelt es sich beim massenhoumlchsten Signal im Spektrum um den MolpeakManche Molekuumllionen fragmentieren schon bei geringer innerer Energie sehr schnell ZurIdentifizierung des Molpeaks kann daher ein Spektrum bei niedriger Primaumlrelektronenenergiehelfen Diese wird in einem Energiebereich in der Naumlhe der IE gewaumlhlt Bei organischenMolekuumllen sind das ca 7ndash15 eV Man erhaumllt Molekuumllionen die kaum noch fragmentierenkoumlnnen so daszlig der Molpeak relativ intensiver auftritt als die Fragmentionenpeaks Insgesamtwird die Intensitaumlt der Ionen bei niedriger Elektronenenergie erheblich herabgesetzt wie sichaus der Kurve der Ionisationsausbeute ablesen laumlszligt Liefert ein Molekuumll bei 70 eVElektronenenergie keinen Molpeak so kann oft auch bei 15 eV kein Signal gefunden werdenDeshalb weicht man besser auf die sog sanften Ionisationsmethoden aus

Abb 5 Verteilung der Ionenausbeute als Funktion der Primaumlrelektronenenergie Bei 70 eV liegt ein Plateau hierist die Ionenausbeute fuumlr alle Substanzen vergleichbar und optimal Daher benutzt man 70 eV bei der Aufnahmevon Routine-EI-Spektren (Schroumlder 1991)

Abb 6 EI-Spektren von Ethylacetat bei a) 14 eV b) 20 eV und c) 60 eV Mit zunehmender Elektronenenergienimmt die rel Int von M+ stark ab Ein Vergleich mit der Kurve der Ionenausbeute zeigt aber daszlig die absoluteIntensitaumlt von M+ allenfalls gleich bleibt diese ist jedoch entscheidend fuumlr die Detektion eines Signals(Chapman 1993)

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Funktion eines MassenspektrometersIonenquelleDie Funktion der Ionenquelle besteht darin aus dem Analyten isolierte Ionen in der Gasphasezu erzeugen und diese zum Analysator hin zu beschleunigen Je nach Analysatortyp undIonisationsmethode koumlnnen die Anforderungen an diese Baugruppe stark variieren

Im Falle der EI-Ionenquelle verdampft die Substanz entweder aus einem beheizbaren Tiegeloder aus einen Referenzeinlaszligsystem in das vom Elektronenstrahl durchquerteIonisationsvolumen Im Schnittpunkt der beiden Strahlen findet die Ionisation statt DieIonisationswahrscheinlichkeit liegt bei nur 10-3ndash10-5 trotzdem ist EI eine Technik mit extremniedriger Nachweisgrenze Nicht ionisierte oder durch Wandstoumlszlige neutralisierte Teilchenwerden von einem leistungsstarken Vakuumsystem abgepumpt Bei lt 10-6 mbar sind dieIonen isoliert in der Gasphase Der Repeller verbessert die Extraktion der Ionen aus derIonenquelle Die Beschleunigungsspannung U liegt zur Fokussierung des Ionenstrahls in denAnalysator verteilt uumlber mehrere Blenden an

Abb 7 Schema einer typischen EI-Ionenquelle Der neutrale Molekularstrahl tritt senkrecht zur Papierebene indie Quelle ein (Schroumlder 1991)

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den AnalysatorAlle im Ionisationsvolumen der Ionenquelle erzeugten Ionen durchlaufen ein Potentialgefaumllledie Beschleunigungsspannung U das variabel gewaumlhlt werden kann Typische Werte sind 1bis 10 kV Daher treten die Ionen der Masse m und der Ladung q = ze mit hoher kinetischerEnergie in den Analysator ein Fuumlr einfach geladene Ionen gilt q = e und damit

e U = 12

m v2 = Ekin

Bei konstanter Spannung U besitzen alle einfach geladenen Ionen unabhaumlngig von ihrer Massegleiche kinetische Energie Es ist ohne Einfluszlig ob es sich um Molekuumllionen oderFragmentionen handelt solange sie vor dem Eintritt in das Beschleunigungsfeld gebildetwurden Die Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator betraumlgt

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v = 2eUm

Laumlszligt man die Einheiten beiseite kann man eine Schnellformel daraus erhalten

mzU 13900= v

Offenbar haumlngt die Geschwindigkeit der Ionen bei gegebener Beschleunigungsspannung vonder Masse der Ionen ab Laumlszligt sich das ausnutzen

Analysator

Generell werden Massenspektrometer nach ihrem Analysator bezeichnet d h nach denverschiedenen Methoden zur Ionentrennung nach mz

Sektorfeldgeraumlte (B BE EB EBE EBEB BEBE)Magnetische (B) und elektrische (E) Sektorfelder senkrecht zur Flugrichtung der Ionen

Quadrupolgeraumlte (Q QqQ)Uumlberlagerung zeitlich konstanter und hochfrequenter elektrischer Quadrupolfelder in linearenQuadrupolen (Q Massentrennung q nur fokussierende Wirkung)

Quadrupol-Ionenfallen (Trap IT Quistor)Uumlberlagerung zeitlich konstanter und hochfrequenter elektrischer Quadrupolfelder in einerPaul-Falle Erlaubt Speicherung der Ionen

Ionencyclotronresonanzgeraumlte (ICR)Elektrische Anregung in sehr starkem Magnetfeld (3-7 T) und Bestimmung derCyclotronresonanzfrequenz Erlaubt Speicherung der Ionen

Flugzeitgeraumlte (TOF)Bestimmung der Flugzeit (time-of-flight) der Ionen Benoumltigt eine gepulste Ionenquelle

Hybridgeraumlte (BEqQ BEtrap EBE-TOF)Kombination verschiedener Analysatoren fuumlr MSMS billiger als Multi-Sektorfeld

Der Analysator im SektorfeldmassenspektrometerIn einem doppelfokussierenden Sektorfeldmassenspektrometer werden die Ionen durch eineAnordnung aus einem homogenen Magnetfeld (B-Sektor) und einem zylindrischenelektrischen Feld (E-Sektor electrostatic analyzer ESA) nach mz getrennt Man unterscheidetBE- und EB-Geometrie Der Analysator ist zur Ionenquelle durch den Eintrittsspalt (sourceslit entrance slit object slit) zum Detektor durch den Austrittsspalt (collector slit image slit)begrenzt

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Abb 8 Das VG ZAB-2F und das neuere Jeol JMS-700 des Organisch-Chemischen Instituts sind typische BE-Sektorfeldgeraumlte Die Abbildung zeigt das Schema des ZAB-2F

Flugbahn im homogenen MagnetfeldDie Feldlinien des magnetischen Sektorfeldes mit der Feldstaumlrke B stehen senkrecht zurBewegungsrichtung der Ionen Als Folge der Lorentz-Kraft laufen die Ionen auf einer Kreis-bahn deren Radius rm durch Gleichheit von Lorentz-Kraft und Zentrifugalkraft bestimmt istFuumlr einfach geladene Ionen gilt und senkrechten Eintritt ins Magnetfeld laumlszligt sich vereinfachtdie skalare Beziehung schreiben

e Bv = m vr

r = mvB e

2

m

m

Der Bahnradius im B-Sektor ist also dem Impuls p = m v der Teilchen proportionalUmformen nach me liefert

me

r Bv

m=

Nach Einsetzen von v erhaumllt man

me

r B meU

=2

und darausme

= r B 2U

m2 2

Diese Gleichung ist auch als massenspektrometrische Grundgleichung bekannt Wegen derVielzahl von in der MS-Praxis genutzten Analysatortypen gibt es aber eigentlich nicht mehrnur eine Grundgleichung

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Flugbahn im elektrischen FeldIm elektrischen Feld der Feldstaumlrke E fliegen die Ionen auf einer Kreisbahn deren Radiusbestimmt wird durch die Beziehung

e E = mvr

r = m ve E

r = 2UE

2

e

e 2

e

Das elektrische Feld wirkt als Energiefilter Da es die Energieunschaumlrfe der Ionen eliminiertwird die erreichbare Massenaufloumlsung eines doppelfokussierenden Sektorfeldgeraumltesgegenuumlber einem reinen B-Sektorfeldgeraumlt um ein Vielfaches erhoumlht

AufloumlsungsvermoumlgenAls Massenaufloumlsung oder Aufloumlsungsvermoumlgen R (resolution) definiert man R = M∆MDabei kann ∆M von Peaktop zu Peaktop durch die Peakbreite bei 10 Houmlhe (10 Tal-Definition seltener bei 5 Houmlhe) oder bei 50 Houmlhe (Full width at half maximum FWHM)gemessen werden Es gilt 18R10 = RFWHM Durch Variation der Spaltweiten laumlszligt sich dieAufloumlsung eines guten Sektorfeldgeraumltes im Bereich von ca 500ndash50000 variieren SteigendeAufloumlsung verringert allerdings betraumlchtlich die Transmission

Abb 9 Die verschiedenen Definitionen der Aufloumlsung in der MS

Metastabile Ionen und Stoszligaktivierungs-MSInstabile IonenDie meisten Molekuumllionen zerfallen schon 10-12ndash10-6 s nach der Ionisation als Folge ihrerhohen inneren Energie Da die Verweilzeit im Ionisationsvolumen etwa 10-6 s betraumlgt werdennur noch deren Zerfallsprodukte in das Beschleunigungsfeld eintreten und schlieszliglich

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detektiert werden Ionen mit einer Lebensdauer lt 10-6 s werden in der MS deshalb alsinstabile Ionen bezeichnet

Stabile IonenMolekuumllionen mit geringer innerer Energie koumlnnen keine Zerfallsschwelle uumlberwinden Wennsie in einem Potentialminimum existieren sind sie unter den Bedingungen des Massen-spektrometers (bei lt 10-6 mbar isoliert in der Gasphase) stabil

Metastabile IonenNicht alle die Ionenquelle verlassenden Ionen uumlberleben die Flugzeit bis zum Detektormanche zerfallen im Transit Diese Ionen werden als metastabile Ionen bezeichnet Man kanndefinieren metastabile Ionen haben eine Lebensdauer in der Groumlszligenordnung von 10ndash6ndash10ndash5 s

Scantechnik beim SektorfeldgeraumltDa der Radius des B-Sektors und Ekin der Ionen festgelegt sind variiert man zur Aufnahmevon Massenspektren der in der Ionenquelle gebildeten Ionen die magnetische Feldstaumlrke Bsog B-Scan oder M-Scan Uumlblich sind Scanraten von 1ndash10 sDecade z B mz 50ndash500 in 5 sbei 5 sDecade Eine andere Methode ist die proportionale Variation von Beschleunigungs-spannung und ESA-Spannung sog E-Scan oder HV-Scan Wegen der damit verbundenenDefokussierung der Ionenquelle kann nur ein kleinerer Massenbereich ca 50 des amMagneten eingestellten mz-Wertes abgedeckt werden

Zerfaumlllt ein metastabiles Ion der Masse m1 d h nachdem es die volle Beschleunigungs-spannung durchlaufen hat in einer feldfreien Region (FFR) vor dem B-Sektor in eingeladenes Bruchstuumlck der Masse m2 und ein ungeladenes der Masse n = (m1-m2) dann fliegendie Produkte m2 und n mit der unveraumlnderten Geschwindigkeit v1 = v2 weiter

v = 2eUm

11

Der Bahnradius r2 des geladenen Bruchstuumlckes m2 beim Durchfliegen des B-Sektors ist

= me B

2 1r2v

Nach Einsetzen von v1 erhaumllt man

r2 22

1 = 1

B 2 m U

m eDas Bruchstuumlck der Masse m2 wird demnach bei einer effektiven Massenzahl

m = m22 m1

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im Massenspektrum registriert sofern es sich um ein B- oder EB-Geraumlt handelt BE-Geraumltezeigen keine metastabilen Ionen im Spektrum da diese wegen ihrer verringerten kinetischenEnergie nicht den E-Sektor passieren koumlnnenDie Untersuchung metastabiler Ionen ist eine wichtige Methode in der Chemie isolierter Ionenin der Gasphase Deshalb wurde eine Vielzahl von Scantechniken fuumlr Sektorfeldmassen-spektrometer entwickelt die es erlauben die Zerfaumllle metastabiler Ionen in einer FFR vor demB-Sektor oder auch vor dem E-Sektor zu registrieren Daraus lassen sich Informationen uumlberintrinsische Eigenschaften der Ionen und uumlber Zerfallsmechanismen gewinnen Auch fuumlrlineare Quadrupol- Quadrupol-Ionenfallen- ICR- und TOF-Massenspektrometer gibt esTechniken zur Untersuchung isolierter Ionen auf die hier aber nicht naumlher eingegangenwerden kann Generell bezeichnet man diese Techniken als Tandem-MS MSMS oder MSnda inzwischen auch mehrstufige MS-Experimente realisiert werden koumlnnenBeim Einsatz der sanften Ionisationsmethoden werden nahezu ausschlieszliglich stabileMolekuumllionen erzeugt Um dennoch Strukturinformation zu erhalten kann man dieFragmentierung durch Stoszligaktivierung (collisionally induced dissociation CID collisionalactivation CA) erzwingen Dazu wird der Ionenstrahl durch eine Stoszligkammer mit einemneutralen Stoszliggas (He Ar N2) geschickt Die Umgebung der Stoszligkammer wird durch dasdifferentielle Pumpsystem unter Hochvakuum gehalten Bei den hochenergetischen Stoumlszligenmit den Gasatomen werden die Ionen aumlhnlich angeregt wie bei der EI-Ionisation DieFragmentionen werden dann mittels Tandem-MS analysiert

Detektor

Der einfachste Detektor ist ein Faraday cup ein kleiner Metallbecher der die Ionen sammeltund sich dabei elektrisch auflaumldt Die Ladung flieszligt uumlber einen Widerstand von 10ndash100 MΩab uumlber den der Spannungsabfall gemessen und nach Verstaumlrkung registriert wird DiesesSystem wird nur noch in der Isotopen-MS eingesetzt

Heute werden oft Sekundaumlrelektronen-Vervielfacher (SEV secondary electron multiplierSEM) benutzt Der Ionenstrahl trifft auf eine Konversionsdynode aus einemHalbleitermaterial dadurch werden Elektronen freigesetzt die auf die naumlchste Dynode hinbeschleunigt werden Uumlber 14ndash17 Stufen uumlber die insgesamt 1ndash3 kV anliegen wird so eineVerstaumlrkungskaskade ausgeloumlst (Faktor 106ndash108) Der Strom wird verstaumlrkt und in einSpannungssignal umgewandelt

Anstelle einzelner Dynoden kann man eine kontinuierliche Bauart des SEV verwenden dasChanneltron Das Channeltron ist ein kleines gebogenes Houmlrnchen uumlber das vom Eintritt biszum Ende 1ndash3 kV angelegt werden

Schneidet man ein Buumlndel tausender zusammengesinterter Glaskapillaren mit entsprechenderBeschichtung der Innenwaumlnde in duumlnne Scheiben entsteht eine Anordnung bei der jeder

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dieser feinen Kanaumlle wie ein kleines Channeltron wirkt Dies ist eine sog Microchannel plate(MCP ca 2ndash5 cm Durchmesser) Die groszlige Oberflaumlche erlaubt eine sehr empfindlicheDetektion eintreffender Ionen uumlber einen groszligen Raumwinkel (vorteilhaft bei TOF-MS)

Anstatt das Signal der gesamten MCP zusammenzufassen kann man es auch ortsaufgeloumlstregistrieren Solch ein Array-Detektor kann simultan einen bestimmten Massenbereich ( ca5ndash10 des eingestellten mz eines Sektorfeldgeraumlts) in 512ndash2048 Kanaumlle detektieren und soeine im Vergleich zum SEV 100-fach houmlhere Empfindlichkeit erreichen

DatensystemDie Leistungsfaumlhigkeit moderner Massenspektrometer wird zu einem nicht unerheblichen Teildurch das zur Meszligdatenerfassung und -auswertung verwendete Datensystem bestimmt Auchdie Geraumltesteuerung wird bei modernen Systemen ausschlieszliglich uumlber den Rechner ab-gewickelt Gute Software kann einen gewaltigen Beitrag zu Probendurchsatz undQualitaumltssicherung beisteuern (Leider fuumlhren fully automated and easy to use-Geraumlte nichtselten zu einem gewissen Dilettantismus in der MS)

Grundlagen der Spektreninterpretation

Isotopie der ElementeDie meisten Elemente sind keine Reinelemente d h sie kommen nicht monoisotopisch vorMan kann grob folgende massenspektrometrisch relevante Gruppen einteilen (fuumlr die uumlbrigenElemente sei auf die gaumlngige MS-Literatur verwiesen)

1 Reinelemente wie 19F 31P 127I oder 133Cs

2 Elemente mit einem Hauptisotop und ein oder zwei Begleitisotopen von sehr geringerHaumlufigkeit (lt 03 ) Dazu gehoumlren 1H 14N 16O Fuumlr die meisten Zwecke lassen sie sich wiedie Reinelemente beruumlcksichtigen

3 Elemente mit einem Hauptisotop und ein oder zwei Begleitisotopen von geringerHaumlufigkeit (lt 5 ) Dazu gehoumlren 12C 28Si und 32S

4 Elemente die mit zwei Isotopen vergleichbarer Haumlufigkeit auftreten wie 10B 11B oder dieHalogene 35Cl 37Cl und 79Br 81Br

5 Elemente mit mehreren Isotopen und relativ gleichmaumlszligiger Verteilung wie Hg Sn Ru etc

Information aus den IsotopenpeaksDie Haumlufigkeit der Molekuumlle die ein Molgewicht haben das 1 2 3 oder mehr Massen-einheiten uumlber dem Molgewicht des monoisotopischen Molekuumlls liegt haumlngt ab von derAnzahl der vorhandenen Atome und von der relativen Haumlufigkeit der Isotope in denbeteiligten Elementen

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Element M M+1 M+2Masse Masse Masse

H 1 100 2 0015 - -B 10 248 11 100 - -C 12 100 13 11 - -N 14 100 15 037 - -O 16 100 17 004 18 020F 19 100 - - - -Si 28 100 29 51 30 34P 31 100 - - - -S 32 100 33 08 34 44Cl 35 100 - - 37 320Br 79 100 - - 81 980I 127 100 - - - -

Tabelle 1 Isotopenverteilung einiger Elemente normiert auf das haumlufigste Isotop Es wurden nur die in der MSrelevanten Isotope der Elemente aufgefuumlhrt

Der 13C-PeakZwar hat jedes C-Atom nur zu 11 die Chance als 13C aufzutreten doch beim Kohlenstoffist 13C relevant da oft eine groszlige Zahl von C-Atomen in einem Molekuumll vorkommt ImMethan betraumlgt die Intensitaumlt des M+1 Peaks bei mz 17 daher etwa 11 der Intensitaumlt desPeaks bei mz 16 im Hexan hat M+1 mz 73 ca 66 der Intensitaumlt von mz 72

M+1 M+2 M+1 M+2 M+3C1 11 0 C20 22 23 02C2 22 001 C30 33 52 05C4 44 007 C40 44 94 13C6 66 018 C50 55 15 15

C10 110 054 C60 66 21 46C14 154 11 C100 110 60 22

Tabelle 2 Beitraumlge zum M+1 M+2 und M+3 Signal in rel des monoisotopischen Signals durch 13C-Anteil inCn-Verbindungen

M+2 ElementeBei Elementen die hauptsaumlchlich ein schweres Isotop in groumlszligerer Haumlufigkeit enthalten wieSchwefel Silicium Chlor und Brom kann die Isotopenverteilung nach folgendem verein-fachten Ausdruck berechnet werden

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(a + b)n

a ist die relative Haumlufigkeit des leichten Isotopsb ist die relative Haumlufigkeit des schweren Isotopsn ist die Anzahl der Atome des betrachteten Elements im Molekuumll

Si und S zeigen kleine aber deutliche Isotopenpeaks die einen Ruumlckschluszlig auf dasVorhandensein dieser Elemente erlauben Bei Cl und Br schlieszliglich machen die Isotopenpeaksderen Anwesenheit unverkennbarBesonders bei Si und S koumlnnen Uumlberlagerungen mit dem 13C- oder anderen Mustern leichtzum Verwischen fuumlhren Man beachte auszligerdem daszlig die Halogene M M+2 M+4 M+6liefern waumlhrend der Abstand bei Si und S nur 1 u betraumlgt In allen Faumlllen muszlig x (Abb 10)mindestens der Masse der Elementkombination entsprechen z B x = 70 bei Cl2 sonst kannes sich nicht um ein Isotopenmuster handeln

Si Si2 Si3

x +2 x +2 x +2

5134

1071

1511

x +2 x +2

S S2

44 88

Abb 10 Die wichtigsten Isotopenmuster der organischen MS Hier sind die Muster der jeweiligen Elemente sogezeigt wie sie sich ohne Uumlberlagerung mit dem Isotopenmuster des Kohlenstoffs ergeben

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exakteIsotopenmasse

relativeHaumlufigkeit

Massen-uumlberschuszlig

relativeAtommasse

Isotop Nominal-masse

amu mmu amu

1H 1 1007825 99985 782 100792H 2 2014102 0015 141010B 10 10012938 199 1294 1081111B 11 11009305 801 93012C 12 12000000 9890 0 1201113C 13 13003355 110 33514N 14 14003074 99634 307 14006715N 15 15000109 0366 01116O 16 15994915 99762 -508 15999417O 16 16999131 0038 -08618O 18 17999159 0200 -08419F 19 18998403 1000 -159 189984

23Na 23 22989770 1000 -1023 22989828Si 28 27976928 9223 -2307 28085529Si 29 28976496 467 -235030Si 30 29973772 310 -262331P 31 30973763 1000 -2623 30973832S 32 31972072 9502 -2792 3206633S 33 32971459 075 -285434S 34 33967868 421 -3213

35Cl 35 34968853 7577 -3114 35452737Cl 37 36965903 2423 -341039K 39 38963708 932581 -3629 39098340K 40 39963999 00117 -360041K 41 40961825 67302 -381879Br 79 78918336 5069 -8165 7990481Br 81 80916290 4931 -8365127J 127 126904477 1000 -9564 1269044

Tabelle 3 Isotopenhaumlufigkeit exakte Isotopenmassen und relative chemische Atommassen einiger Elemente

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Hochaufloumlsende Massenspektrometrie und exakte Masse

Die relativen Atommassen sind nach IUPAC auf Kohlenstoff bezogen Genauer eineatomare Masseneinheit equiv 1 u equiv 112 der Masse des Kohlenstoffisotops 12C Neben u sind auchdie Bezeichnungen amu (atomic mass unit) und Da (Dalton) in Gebrauch(Die Definition vor 1961 war 1 Masseneinheit ME equiv 116 der Masse Sauerstoffisotops 16ODamit ergeben sich geringfuumlgig andere Atommassen Man muszlig deshalb auf das Erscheinungs-jahr von Massentabellen achten)

MassendefektDie Differenz von exakter Masse zu Nominalmasse wird als Massendefekt (mass deficiency)bzw Massenuumlberschuszlig bezeichnet Alkane und Alkylionen besitzen wegen ihres hohen 1H-Gehalts den groumlszligten Massenuumlberschuszlig dann folgen Amide und Peptide Polyether undPolyalkohole wie Oligosaccharide Kohlenstoff als 12C hat definitionsgemaumlszlig keinenMassendefekt Massendefekte werden oft in halogenierten Verbindungen und generell beimVorliegen von Schweratomen beobachtet Bereits ab mz 500 kann man mit Nominalmassen(H 1 u C 12 u O 16 u ) schon deutlich falsch liegen Das Molkuumllion von C36H74 mz5065790 ist nominal noch mz 506 wuumlrde aber von einem Datensystem ggf zu mz 507aufgerundet Deshalb ist auch bei Verwendung der Nominalmasse eine Dezimalstelleangebracht z B mz 5066

-04-02

002040608

112141618

222242628

3

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

nominale Molmasse (amu)

Mas

send

efek

t (am

u) KohlenstoffNylon-66PEGPTFEPVCPE

Abb 11 Zu bestimmten Gruppen von Summenformeln gehoumlren charakteristische MassendefekteIm Falle von elementarem Kohlenstoff zB bei Fullerenen ist der Wert immer 0 amu Typischeorganische Verbindungen dagegen zeigen Werte von 05-10 amu pro 1000 amu TretenUumlbergangsmetalle oder Halogene auf ist der Wert deutlich verringert und kann sogar unter dieNominalmasse fallen zB bei PFK

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Bestimmung der SummenformelMit doppelfokussierenden Magnetsektorfeldgeraumlten sind Massenaufloumlsungen uumlber 10000 zuerreichen (high resolution HR) So lassen sich Gemische isotopomerer Ionen gleicherNominalmasse wegen ihrer unterschiedlichen exakten Massen trennen und den isotopischenZusammensetzungen zuordnen vorausgesetzt es gelingt eine Zuordnung der Peaks zu einerexakten Masse Dazu verwendet man eine Kalibriersubstanz mit Signalen bekannter exakterMassen als interne Standardisierung der Massenskala Perfluorkerosin (PFK) und andereperfluorierte Verbindungen werden fuumlr die externe Kalibrierung und auch als internerMassenstandard in der EI-HR-MS eingesetzt da sie Ionen mit deutlichem Massendefektbilden die normalerweise leicht von den zu untersuchenden Ionen getrennt werden Ohneinternen Standard waumlre z B bei Auftreten von nur einem der beiden Signale nicht zwischen40Ar+ mz 399624 und C3H4+ mz 400313 zu unterscheiden Demnach werden durchHR-MS Ionenmassen abgesichert und auch zwischen nominal isobaren Eliminierungen z Bvon N2 CO undoder C2H4 kann man klar differenzieren

Mit zunehmender Molmasse kommen jedoch viele Summenformeln in einem experimentellenFehlerbereich von 2ndash5 mmu (milli u) in Frage Bei mz 500 entsprechen 5 mmu einer relativenAbweichung von 10 ppm bei mz 2000 aber nur noch 25 ppm Die Auswahl anSummenformeln im Fehlerintervall wird allerdings oft durch ergaumlnzende Informationeneingeengt Solche Limitierungen ergeben sich aus der Herkunft der Probe (z B nur C H13N und lt 4 O) oder aus dem Isotopenmuster des Molekuumllions (zB 1 Br kein S)

In der Massenspektrometrie kommt der Bestimmung der Summenformel einer unbekanntenSubstanz eine zentrale Bedeutung zu Zwar lassen sich oft schon weitgehende Ruumlckschluumlsseaus dem Isotopenmuster des Molekuumllions ziehen doch eine exakte Massenmessung stellt dieverlaumlszliglichere Information dar da ggf eine Uumlberlagerung des 13C Peaks mit einem [M+H]+

Peak unbekannter Intensitaumlt das Isotopenmuster verfaumllschen Auszligerdem haumlngt der 13C-Gehaltvon der Herkunft der Probe ab was die Bestimmung der Anzahl C-Atome aus dem M+1 Peaklimitiert

Herkunft des Kohlenstoffs 13C

atmosphaumlrisches CO2 1106C3-Pflanzen 1080C4-Pflanzen 1095fossile Stoffe 106-108

Tabelle 4 13C-Gehalt von Kohlenstoff in Abhaumlngigkeit von seiner Herkunft Generell ist der Gehalt derschwereren Isotope in aumlquatorialen Breiten houmlher als in polnahen Regionen

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Ringe plus Doppelbindungen

Wegen der jeweils eigenen Anzahl Valenzen der Elemente berechnet sich die Summe derRinge plus Doppelbindungen r + d (auch Doppelbindungsaumlquivalente DBAuml unsaturationUS) fuumlr ein Molekuumllion der Formel CcHhNnOo nach der Gleichung

r + d = c - 05 h + 05 n + 1Wendet man die Formel auf Pyridin C5H5N an so ergibt sich

r + d = 5 - 05bull5 + 05bull1 + 1 = 5 - 25 + 05 + 1 = 4

Bei Fragmentionen kann der berechnete Wert von r + d auch 05 15 betragen Um denkorrekten Wert zu erhalten rundet man auf die ganze Zahl ab Fuumlr das BenzoylkationC7H5O+ erhaumllt man

r + d = 7 - 05bull5 + 1 = 55

was als r + d = 5 zu interpretieren ist Die Aussage ist dann korrekt wenn man die Fragment-ionen als Carbeniumionen schreibt

O O+

+N N+ +

Treten andere Elemente auf so werden sie nach der Zahl ihrer Valenzen beruumlcksichtigt Sizaumlhlt zu C P zu N S zu O Hal zu H Wenn Elemente houmlhere Valenzen erreichen als in derFormel angenommen werden falsche Werte fuumlr r + d errechnet z B bei SulfoxidenSulfonen Phosphaten Fuumlr jeweils zwei Valenzen mehr als oben angenommen muumlszligte man dieFormel um +1 ergaumlnzen z B Phosphorsaumluretrimethylester C3H9O3P mit 5- statt 3-bindigemPhosphor

r + d = 3 - 45 + 05 + 2 = 1

Man erhaumllt durch diese Rechnung eine Limitierung der Anzahl Strukturvorschlaumlge zu einerSummenformel

Fragmentierungsreaktionen

Ein nicht unwesentlicher Teil der Interpretation von Massenspektren laumlszligt sich durchAnwendung von Zerfallsschemata erreichen Dazu muszlig man die wichtigsten Frag-mentierungsreaktionen verschiedener Ionenspezies kennen Nicht jeder Peak laumlszligt sich sovernuumlnftig erklaumlren Viele Reaktionen sind spezifisch fuumlr eine kleine Gruppe von Ionen ImZweifel ist die Fachliteratur zu Rate zu ziehen Fuumlr die im Kurs abgedeckten Substanzklassenist der Umfang nachfolgender Zusammenstellung ausreichend

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Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen

αααα-Spaltung aktivierter Bindungen

R

O+

α1

α2

RO+

+

O+

R +

α1

α2

Bildung der thermodynamischstabileren Produktpaarung ausIon und Radikal ist bevorzugt

Es wird eine zum Heteroatom α-staumlndigeBindung homolytischgespalten

O+

α

α O+

+ CH3 Das Heteroatom kann

exostaumlndig oder Teileiner Kette sein

O+

H

O+

H

O+

α 15-Hα

O+

+

In alicyclischen Systemen tritt doppelte α-Spaltung unter Umlagerung uumlber distonische Intermediate auf

Als Konkurrenzreaktionwird aber auch die andereProduktpaarung gebildet Deshalb findet man oft zurAbspaltung des Radikals nauch das korrespondierendeIon n+

+

+

R

O

OR

O+

α1

α2

R +

+

α1

α2

Allylspaltung

+

+

+

+

In Alkenen wird bevorzugt die allylische Bindung gespalten wobei das Allylkationgebildet wird

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Alkylspaltung und Olefinverlust aus Alkylkationen

+

+

C2H5

+

C3H7

+ +

- C2H4 28 u

Molekuumllionen mit Alkylketten spalten unselektiv entlang der Kette Alkylradikale abDie gebildeten Alkylkationen gehen Kettenverkuumlrzungen unter Alkenverlust einDaneben treten Isomerisierungen aller Ionenspezies auf

mz 43- CH3

--

Benzylspaltung

+

- C4H9 - C2H2 26 u

mz 77 mz 51

+ +

- C3H7

In Alkylaromaten wird bevorzugt die benzylische Bindung gespalten Es treten die typischen Ionen mz 91 77 65 51 39 oder deren Homologeauf Das Ausmaszlig der Isomerisierung ist verschieden Diese Serie kann aber auch aus nichtaromatischen Ionen gebildet werden wenn die Summenformel C7H7 zustande kommt

- C2H2 26 u

+

+ + +

mz 91 mz 65

- C2H2 26 u

C3H3+

mz 39

+

Die Spaltung der phenylischen Bindung fuumlhrt zu den Ionen bei mz 77 51 Sie ist beiAlkylaromaten weniger bevorzugt

Benzoylverbindungen dagegen bilden durch αminusSpaltung zunaumlchstdas Benzoylkation das unter CO-Verlust zu mz 77 51 weiterfragmentiert

O

R ++

mz 51mz 77

- C2H2 26 u

+

- R

α

+O

- CO 28 u

mz 105

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McLafferty-Umlagerung (ββββ-Spaltung mit γγγγ-H-Transfer)

OH R+

ORH+

15-H OH R+

+

In Molekuumllionen mit C=X-Doppelbindung tritt McLafferty-Umlagerung auf wenn ein γ-H-Atomuumlber die Sechsringkonformation auf X uumlbertragen werden kann Es tritt Alkenverlust aufMan kann die Umlagerung auch konzertiert formulieren

a)

b)

N

H R

+15-H-

N

R+

NR

++

In closed-shell Ionen wird ein analoger Prozeszlig beobachtet Onium-Ionen eliminieren einAlken-Molekuumll unter Bildung eines neuen Onium-Ions

c)

H

R + R

HH

+ HH

+

mz 92

+

R

Alkylaromaten bilden neben der Benzylspaltung mz 92oder Homologe durch McLafferty-Umlagerung DasIon mz 92 ist ein Isomer des Toluol-Molekuumllions

15-H

Eine andere Moumlglichkeit ein Alken aus dem Molekuumllion zu eliminieren ist die

AB

+

A B++

+BAA

B

+

+

Molekuumllionen und closed-shellIonen mit einem Sechsringsystemdas eine Doppelbindung enthaumlltgehen RDA ein Die Dien-Komponentetraumlgt bevorzugt die LadungEs koumlnnen Heteroatome enthalten sein

Retro-Diels-Alder-Reaktion RDA

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R

++N

R

H

Onium-Reaktion

+ HN

Onium-Ionen zeigen Alkenverluste unter Abspaltung des gesamten AlkylrestesDas uumlbertragene H kann aus der ganzen Kette stammen Der Mechanismus isteigentlich komplizierter es treten intermediaumlr Ion-Molekuumll-Komplexe aufWegen der Delokalisierung der Ladung sind sowohl die C=X+-R als auch die R-C+-X-Bindung moumlgliche Positionen fuumlr die Onium-Rkt

a)

c)

OR

+OH+

+R

OR+

+

Vor allem Oxonium-Ionen zeigen neben Alkenverlust auch Aldehydverlust da die Differenz der Protonenaffinitaumlten von Aldehyd und Carbenium-Ion relativ gering istBei genuumlgender innerer Energie gehen alle Onium-Ionen beide Reaktionen ein

b)

NH2R+

+NH2R

R NH2++

OH +O

H

H

+

CO-Verlust aus Phenolen

- CO

mz 9428 u

mz 66

+

+

mz 65

- H

CO-Verlust tritt auszligerdem bei anderen ungesaumlttigten cyclischen Ketonen und beiAcylium-Ionen auf CO-Verlust kann eine thermische Rkt vor der Ionisation sein

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ortho-Effekt oder Retro-14-Addition

OMe

H

O

4

1

+ O+

- MeOH

Bei ortho-substituierten Benzol- und bei 18-substituierten Naphthalinderivatenkoumlnnen Fragmentierungen auftreten die nur durch Wechselwirkung beider Sub-stituenten moumlglich werden Dazu gehoumlren auch OH-Verluste aus Nitroaromaten

Referenzspektren

Anhand von Referenzspektren lassen sich gut substanzklassenspezifische Charakteristikaerkennen Deshalb kommt Spektrenbibliotheken eine groumlszligere Bedeutung als nur die direkteIdentifizierung einer unbekannten Verbindung zu

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NISTEPANIH Mass Spectral Data Base 1998

Tabellen charakteristischer Fragmentionen und MassendifferenzenZur Beachtung

Diese Tabellen sind mit Vorsicht zu genieszligen Es gibt sicher noch viele andere isobareFragmentionen und Massendifferenzen Auszligerdem laumlszligt man sich all zu leicht auf einenbestimmten Interpretationsansatz festlegen

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

30 Amine primaumlre Amine falls

intensiver als homologe

Iminium-Ionen

NH2+

30 Nitroverbindungen NO+

31 Alkohole Ether Acetale wenn intensivstes der

Oxonium-Ionen prim

Alkohol

OH+

32 Sauerstoff meist Untergrund [O2]+

32 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [S]+

33 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [HS]+

34 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [H2S]+

35 Chlorverbindungen plus Isotop 37Cl [Cl]+

36 Chlorverbindungen HCl plus Isotop 37Cl [HCl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 3: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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houmlher die innere Energie eines Ions ist um so schneller fragmentiert es ZunehmendeStabilitaumlt des Ions fuumlhrt zu einem intensiveren Peak im Spektrum da es langsamerweiterzerfaumlllt Closed-shell Ionen fragmentieren fast ausnahmslos unter Neutralabspaltungradikalische Spaltungen treten quasi nur aus open-shell Ionen auf (Even-electron rule)Die Ionisation folgt dem Franck-Condon-Prinzip dh der Ionisationsvorgang ist sehr schnell(ca 10-16 s) verglichen mit den Molekuumllschwingungen (10-12ndash10-13 s) Man darf daher davonausgehen daszlig das Molekuumllion zumindest anfaumlnglich noch die Struktur des neutralen Molekuumllsbesitzt

Thermodynamische AspekteDie Thermodynamik der Prozesse von der Ionisation bis zur Bildung der Fragmente sei amFormaldehyd-Verlust aus Anisol erlaumlutert Bei der Wechselwirkung von 70 eV Elektron undMolekuumll wird meist wesentlich mehr Energie als Ionisierungsenergie (IE fruumlher Ionisierungs-potenial IP) auf das Molekuumll uumlbertragen Die IE ist die Differenz der Bildungsenthalpien vonMolekuumll und Molekuumllion in ihren Grundzustaumlnden Der Uumlberschuszlig ist die innere Energie desMolekuumllions ε die als Schwingungs- und Rotationsanregung vorliegt Wurde soviel Energieuumlbertragen daszlig gerade eben die Aktivierungsenergie εo einer Zerfallsreaktion uumlberwundenwerden kann treten deren Produkte im Spektrum auf Dies ist die Auftrittsenergie (AE) einerReaktion besser ihrer Produkte

Abb 3 Definitionen der Thermochemie isolierter Ionen am Beispiel Anisol Die Reaktion nach links verlaumluftuumlber einen Fuumlnfring-Uumlbergangszustand die Reaktion nach rechts uumlber einen Vierring Letztere liefert mitBenzol-Molekuumllion und Formaldehyd die thermodynamisch stabileren Produkte und so den groumlszligeren KER(Metastable Ions 1973)

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Quasi-Equilibrium-TheorieDamit eine Reaktion mit endlicher Geschwindigkeit ablaufen kann (k gt 0) wird etwas mehrEnergie als das AP benoumltigt d h es muszlig eine Uumlberschuszligenergie im Uumlbergangszustand

ε = ε minus εovorhanden sein Nach der vereinfachten Quasi-Equilibrium-Theorie (QET) gilt fuumlr dieGeschwindigkeitskonstante der Ausdruck

k(ε) = ν (ε ε)n

darin ist ν eine Zeitkonstante und n beruumlcksichtigt die Zahl der inneren Freiheitsgrade VomUumlbergangszustand aus gesehen besteht eine Uumlberschuszligenergie εexcess relativ zu denProdukten die im wesentlichen der Aktivierungsenergie der Ruumlckreaktion εor entspricht EinTeil von εor liegt dann als Schwingungsanregung der Fragmente vor und ermoumlglicht so derenFolgezerfaumllle Der Rest wird als kinetische Energie T auf die Fragmente uumlbertragen (kineticenergy release KER) was sich in deren gegenseitigem Auseinanderfliegen aumluszligert EinfacheBindungsspaltungen fuumlhren zu sehr kleinem KER von 10ndash50 meV da die Rekombination vonRadikalen mit Ionen fast ohne Aktivierungsenergie verlaumluft

Massenspektrometrische ZeitskalaAm Beispiel eines unter EI erzeugten Ions von mz 100 und einem ZAB-2F Sektorfeld-MS beiU = 8 kV veranschaulicht Holmes die massenspektrometrische Zeitskala Man beachte dielogarithmische Zeitachse fuumlr die Ionenquelle In der Groumlszligenordnung stimmt diese Zeitskalaauch fuumlr andere Ionisationsmethoden undoder Analysatortypen

Abb 4 Massenspektrometrische Zeitskala (Holmes OMS 20 169 1985)

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Identifizierung des MolpeaksNicht immer handelt es sich beim massenhoumlchsten Signal im Spektrum um den MolpeakManche Molekuumllionen fragmentieren schon bei geringer innerer Energie sehr schnell ZurIdentifizierung des Molpeaks kann daher ein Spektrum bei niedriger Primaumlrelektronenenergiehelfen Diese wird in einem Energiebereich in der Naumlhe der IE gewaumlhlt Bei organischenMolekuumllen sind das ca 7ndash15 eV Man erhaumllt Molekuumllionen die kaum noch fragmentierenkoumlnnen so daszlig der Molpeak relativ intensiver auftritt als die Fragmentionenpeaks Insgesamtwird die Intensitaumlt der Ionen bei niedriger Elektronenenergie erheblich herabgesetzt wie sichaus der Kurve der Ionisationsausbeute ablesen laumlszligt Liefert ein Molekuumll bei 70 eVElektronenenergie keinen Molpeak so kann oft auch bei 15 eV kein Signal gefunden werdenDeshalb weicht man besser auf die sog sanften Ionisationsmethoden aus

Abb 5 Verteilung der Ionenausbeute als Funktion der Primaumlrelektronenenergie Bei 70 eV liegt ein Plateau hierist die Ionenausbeute fuumlr alle Substanzen vergleichbar und optimal Daher benutzt man 70 eV bei der Aufnahmevon Routine-EI-Spektren (Schroumlder 1991)

Abb 6 EI-Spektren von Ethylacetat bei a) 14 eV b) 20 eV und c) 60 eV Mit zunehmender Elektronenenergienimmt die rel Int von M+ stark ab Ein Vergleich mit der Kurve der Ionenausbeute zeigt aber daszlig die absoluteIntensitaumlt von M+ allenfalls gleich bleibt diese ist jedoch entscheidend fuumlr die Detektion eines Signals(Chapman 1993)

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Funktion eines MassenspektrometersIonenquelleDie Funktion der Ionenquelle besteht darin aus dem Analyten isolierte Ionen in der Gasphasezu erzeugen und diese zum Analysator hin zu beschleunigen Je nach Analysatortyp undIonisationsmethode koumlnnen die Anforderungen an diese Baugruppe stark variieren

Im Falle der EI-Ionenquelle verdampft die Substanz entweder aus einem beheizbaren Tiegeloder aus einen Referenzeinlaszligsystem in das vom Elektronenstrahl durchquerteIonisationsvolumen Im Schnittpunkt der beiden Strahlen findet die Ionisation statt DieIonisationswahrscheinlichkeit liegt bei nur 10-3ndash10-5 trotzdem ist EI eine Technik mit extremniedriger Nachweisgrenze Nicht ionisierte oder durch Wandstoumlszlige neutralisierte Teilchenwerden von einem leistungsstarken Vakuumsystem abgepumpt Bei lt 10-6 mbar sind dieIonen isoliert in der Gasphase Der Repeller verbessert die Extraktion der Ionen aus derIonenquelle Die Beschleunigungsspannung U liegt zur Fokussierung des Ionenstrahls in denAnalysator verteilt uumlber mehrere Blenden an

Abb 7 Schema einer typischen EI-Ionenquelle Der neutrale Molekularstrahl tritt senkrecht zur Papierebene indie Quelle ein (Schroumlder 1991)

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den AnalysatorAlle im Ionisationsvolumen der Ionenquelle erzeugten Ionen durchlaufen ein Potentialgefaumllledie Beschleunigungsspannung U das variabel gewaumlhlt werden kann Typische Werte sind 1bis 10 kV Daher treten die Ionen der Masse m und der Ladung q = ze mit hoher kinetischerEnergie in den Analysator ein Fuumlr einfach geladene Ionen gilt q = e und damit

e U = 12

m v2 = Ekin

Bei konstanter Spannung U besitzen alle einfach geladenen Ionen unabhaumlngig von ihrer Massegleiche kinetische Energie Es ist ohne Einfluszlig ob es sich um Molekuumllionen oderFragmentionen handelt solange sie vor dem Eintritt in das Beschleunigungsfeld gebildetwurden Die Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator betraumlgt

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v = 2eUm

Laumlszligt man die Einheiten beiseite kann man eine Schnellformel daraus erhalten

mzU 13900= v

Offenbar haumlngt die Geschwindigkeit der Ionen bei gegebener Beschleunigungsspannung vonder Masse der Ionen ab Laumlszligt sich das ausnutzen

Analysator

Generell werden Massenspektrometer nach ihrem Analysator bezeichnet d h nach denverschiedenen Methoden zur Ionentrennung nach mz

Sektorfeldgeraumlte (B BE EB EBE EBEB BEBE)Magnetische (B) und elektrische (E) Sektorfelder senkrecht zur Flugrichtung der Ionen

Quadrupolgeraumlte (Q QqQ)Uumlberlagerung zeitlich konstanter und hochfrequenter elektrischer Quadrupolfelder in linearenQuadrupolen (Q Massentrennung q nur fokussierende Wirkung)

Quadrupol-Ionenfallen (Trap IT Quistor)Uumlberlagerung zeitlich konstanter und hochfrequenter elektrischer Quadrupolfelder in einerPaul-Falle Erlaubt Speicherung der Ionen

Ionencyclotronresonanzgeraumlte (ICR)Elektrische Anregung in sehr starkem Magnetfeld (3-7 T) und Bestimmung derCyclotronresonanzfrequenz Erlaubt Speicherung der Ionen

Flugzeitgeraumlte (TOF)Bestimmung der Flugzeit (time-of-flight) der Ionen Benoumltigt eine gepulste Ionenquelle

Hybridgeraumlte (BEqQ BEtrap EBE-TOF)Kombination verschiedener Analysatoren fuumlr MSMS billiger als Multi-Sektorfeld

Der Analysator im SektorfeldmassenspektrometerIn einem doppelfokussierenden Sektorfeldmassenspektrometer werden die Ionen durch eineAnordnung aus einem homogenen Magnetfeld (B-Sektor) und einem zylindrischenelektrischen Feld (E-Sektor electrostatic analyzer ESA) nach mz getrennt Man unterscheidetBE- und EB-Geometrie Der Analysator ist zur Ionenquelle durch den Eintrittsspalt (sourceslit entrance slit object slit) zum Detektor durch den Austrittsspalt (collector slit image slit)begrenzt

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Abb 8 Das VG ZAB-2F und das neuere Jeol JMS-700 des Organisch-Chemischen Instituts sind typische BE-Sektorfeldgeraumlte Die Abbildung zeigt das Schema des ZAB-2F

Flugbahn im homogenen MagnetfeldDie Feldlinien des magnetischen Sektorfeldes mit der Feldstaumlrke B stehen senkrecht zurBewegungsrichtung der Ionen Als Folge der Lorentz-Kraft laufen die Ionen auf einer Kreis-bahn deren Radius rm durch Gleichheit von Lorentz-Kraft und Zentrifugalkraft bestimmt istFuumlr einfach geladene Ionen gilt und senkrechten Eintritt ins Magnetfeld laumlszligt sich vereinfachtdie skalare Beziehung schreiben

e Bv = m vr

r = mvB e

2

m

m

Der Bahnradius im B-Sektor ist also dem Impuls p = m v der Teilchen proportionalUmformen nach me liefert

me

r Bv

m=

Nach Einsetzen von v erhaumllt man

me

r B meU

=2

und darausme

= r B 2U

m2 2

Diese Gleichung ist auch als massenspektrometrische Grundgleichung bekannt Wegen derVielzahl von in der MS-Praxis genutzten Analysatortypen gibt es aber eigentlich nicht mehrnur eine Grundgleichung

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Flugbahn im elektrischen FeldIm elektrischen Feld der Feldstaumlrke E fliegen die Ionen auf einer Kreisbahn deren Radiusbestimmt wird durch die Beziehung

e E = mvr

r = m ve E

r = 2UE

2

e

e 2

e

Das elektrische Feld wirkt als Energiefilter Da es die Energieunschaumlrfe der Ionen eliminiertwird die erreichbare Massenaufloumlsung eines doppelfokussierenden Sektorfeldgeraumltesgegenuumlber einem reinen B-Sektorfeldgeraumlt um ein Vielfaches erhoumlht

AufloumlsungsvermoumlgenAls Massenaufloumlsung oder Aufloumlsungsvermoumlgen R (resolution) definiert man R = M∆MDabei kann ∆M von Peaktop zu Peaktop durch die Peakbreite bei 10 Houmlhe (10 Tal-Definition seltener bei 5 Houmlhe) oder bei 50 Houmlhe (Full width at half maximum FWHM)gemessen werden Es gilt 18R10 = RFWHM Durch Variation der Spaltweiten laumlszligt sich dieAufloumlsung eines guten Sektorfeldgeraumltes im Bereich von ca 500ndash50000 variieren SteigendeAufloumlsung verringert allerdings betraumlchtlich die Transmission

Abb 9 Die verschiedenen Definitionen der Aufloumlsung in der MS

Metastabile Ionen und Stoszligaktivierungs-MSInstabile IonenDie meisten Molekuumllionen zerfallen schon 10-12ndash10-6 s nach der Ionisation als Folge ihrerhohen inneren Energie Da die Verweilzeit im Ionisationsvolumen etwa 10-6 s betraumlgt werdennur noch deren Zerfallsprodukte in das Beschleunigungsfeld eintreten und schlieszliglich

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detektiert werden Ionen mit einer Lebensdauer lt 10-6 s werden in der MS deshalb alsinstabile Ionen bezeichnet

Stabile IonenMolekuumllionen mit geringer innerer Energie koumlnnen keine Zerfallsschwelle uumlberwinden Wennsie in einem Potentialminimum existieren sind sie unter den Bedingungen des Massen-spektrometers (bei lt 10-6 mbar isoliert in der Gasphase) stabil

Metastabile IonenNicht alle die Ionenquelle verlassenden Ionen uumlberleben die Flugzeit bis zum Detektormanche zerfallen im Transit Diese Ionen werden als metastabile Ionen bezeichnet Man kanndefinieren metastabile Ionen haben eine Lebensdauer in der Groumlszligenordnung von 10ndash6ndash10ndash5 s

Scantechnik beim SektorfeldgeraumltDa der Radius des B-Sektors und Ekin der Ionen festgelegt sind variiert man zur Aufnahmevon Massenspektren der in der Ionenquelle gebildeten Ionen die magnetische Feldstaumlrke Bsog B-Scan oder M-Scan Uumlblich sind Scanraten von 1ndash10 sDecade z B mz 50ndash500 in 5 sbei 5 sDecade Eine andere Methode ist die proportionale Variation von Beschleunigungs-spannung und ESA-Spannung sog E-Scan oder HV-Scan Wegen der damit verbundenenDefokussierung der Ionenquelle kann nur ein kleinerer Massenbereich ca 50 des amMagneten eingestellten mz-Wertes abgedeckt werden

Zerfaumlllt ein metastabiles Ion der Masse m1 d h nachdem es die volle Beschleunigungs-spannung durchlaufen hat in einer feldfreien Region (FFR) vor dem B-Sektor in eingeladenes Bruchstuumlck der Masse m2 und ein ungeladenes der Masse n = (m1-m2) dann fliegendie Produkte m2 und n mit der unveraumlnderten Geschwindigkeit v1 = v2 weiter

v = 2eUm

11

Der Bahnradius r2 des geladenen Bruchstuumlckes m2 beim Durchfliegen des B-Sektors ist

= me B

2 1r2v

Nach Einsetzen von v1 erhaumllt man

r2 22

1 = 1

B 2 m U

m eDas Bruchstuumlck der Masse m2 wird demnach bei einer effektiven Massenzahl

m = m22 m1

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im Massenspektrum registriert sofern es sich um ein B- oder EB-Geraumlt handelt BE-Geraumltezeigen keine metastabilen Ionen im Spektrum da diese wegen ihrer verringerten kinetischenEnergie nicht den E-Sektor passieren koumlnnenDie Untersuchung metastabiler Ionen ist eine wichtige Methode in der Chemie isolierter Ionenin der Gasphase Deshalb wurde eine Vielzahl von Scantechniken fuumlr Sektorfeldmassen-spektrometer entwickelt die es erlauben die Zerfaumllle metastabiler Ionen in einer FFR vor demB-Sektor oder auch vor dem E-Sektor zu registrieren Daraus lassen sich Informationen uumlberintrinsische Eigenschaften der Ionen und uumlber Zerfallsmechanismen gewinnen Auch fuumlrlineare Quadrupol- Quadrupol-Ionenfallen- ICR- und TOF-Massenspektrometer gibt esTechniken zur Untersuchung isolierter Ionen auf die hier aber nicht naumlher eingegangenwerden kann Generell bezeichnet man diese Techniken als Tandem-MS MSMS oder MSnda inzwischen auch mehrstufige MS-Experimente realisiert werden koumlnnenBeim Einsatz der sanften Ionisationsmethoden werden nahezu ausschlieszliglich stabileMolekuumllionen erzeugt Um dennoch Strukturinformation zu erhalten kann man dieFragmentierung durch Stoszligaktivierung (collisionally induced dissociation CID collisionalactivation CA) erzwingen Dazu wird der Ionenstrahl durch eine Stoszligkammer mit einemneutralen Stoszliggas (He Ar N2) geschickt Die Umgebung der Stoszligkammer wird durch dasdifferentielle Pumpsystem unter Hochvakuum gehalten Bei den hochenergetischen Stoumlszligenmit den Gasatomen werden die Ionen aumlhnlich angeregt wie bei der EI-Ionisation DieFragmentionen werden dann mittels Tandem-MS analysiert

Detektor

Der einfachste Detektor ist ein Faraday cup ein kleiner Metallbecher der die Ionen sammeltund sich dabei elektrisch auflaumldt Die Ladung flieszligt uumlber einen Widerstand von 10ndash100 MΩab uumlber den der Spannungsabfall gemessen und nach Verstaumlrkung registriert wird DiesesSystem wird nur noch in der Isotopen-MS eingesetzt

Heute werden oft Sekundaumlrelektronen-Vervielfacher (SEV secondary electron multiplierSEM) benutzt Der Ionenstrahl trifft auf eine Konversionsdynode aus einemHalbleitermaterial dadurch werden Elektronen freigesetzt die auf die naumlchste Dynode hinbeschleunigt werden Uumlber 14ndash17 Stufen uumlber die insgesamt 1ndash3 kV anliegen wird so eineVerstaumlrkungskaskade ausgeloumlst (Faktor 106ndash108) Der Strom wird verstaumlrkt und in einSpannungssignal umgewandelt

Anstelle einzelner Dynoden kann man eine kontinuierliche Bauart des SEV verwenden dasChanneltron Das Channeltron ist ein kleines gebogenes Houmlrnchen uumlber das vom Eintritt biszum Ende 1ndash3 kV angelegt werden

Schneidet man ein Buumlndel tausender zusammengesinterter Glaskapillaren mit entsprechenderBeschichtung der Innenwaumlnde in duumlnne Scheiben entsteht eine Anordnung bei der jeder

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dieser feinen Kanaumlle wie ein kleines Channeltron wirkt Dies ist eine sog Microchannel plate(MCP ca 2ndash5 cm Durchmesser) Die groszlige Oberflaumlche erlaubt eine sehr empfindlicheDetektion eintreffender Ionen uumlber einen groszligen Raumwinkel (vorteilhaft bei TOF-MS)

Anstatt das Signal der gesamten MCP zusammenzufassen kann man es auch ortsaufgeloumlstregistrieren Solch ein Array-Detektor kann simultan einen bestimmten Massenbereich ( ca5ndash10 des eingestellten mz eines Sektorfeldgeraumlts) in 512ndash2048 Kanaumlle detektieren und soeine im Vergleich zum SEV 100-fach houmlhere Empfindlichkeit erreichen

DatensystemDie Leistungsfaumlhigkeit moderner Massenspektrometer wird zu einem nicht unerheblichen Teildurch das zur Meszligdatenerfassung und -auswertung verwendete Datensystem bestimmt Auchdie Geraumltesteuerung wird bei modernen Systemen ausschlieszliglich uumlber den Rechner ab-gewickelt Gute Software kann einen gewaltigen Beitrag zu Probendurchsatz undQualitaumltssicherung beisteuern (Leider fuumlhren fully automated and easy to use-Geraumlte nichtselten zu einem gewissen Dilettantismus in der MS)

Grundlagen der Spektreninterpretation

Isotopie der ElementeDie meisten Elemente sind keine Reinelemente d h sie kommen nicht monoisotopisch vorMan kann grob folgende massenspektrometrisch relevante Gruppen einteilen (fuumlr die uumlbrigenElemente sei auf die gaumlngige MS-Literatur verwiesen)

1 Reinelemente wie 19F 31P 127I oder 133Cs

2 Elemente mit einem Hauptisotop und ein oder zwei Begleitisotopen von sehr geringerHaumlufigkeit (lt 03 ) Dazu gehoumlren 1H 14N 16O Fuumlr die meisten Zwecke lassen sie sich wiedie Reinelemente beruumlcksichtigen

3 Elemente mit einem Hauptisotop und ein oder zwei Begleitisotopen von geringerHaumlufigkeit (lt 5 ) Dazu gehoumlren 12C 28Si und 32S

4 Elemente die mit zwei Isotopen vergleichbarer Haumlufigkeit auftreten wie 10B 11B oder dieHalogene 35Cl 37Cl und 79Br 81Br

5 Elemente mit mehreren Isotopen und relativ gleichmaumlszligiger Verteilung wie Hg Sn Ru etc

Information aus den IsotopenpeaksDie Haumlufigkeit der Molekuumlle die ein Molgewicht haben das 1 2 3 oder mehr Massen-einheiten uumlber dem Molgewicht des monoisotopischen Molekuumlls liegt haumlngt ab von derAnzahl der vorhandenen Atome und von der relativen Haumlufigkeit der Isotope in denbeteiligten Elementen

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Element M M+1 M+2Masse Masse Masse

H 1 100 2 0015 - -B 10 248 11 100 - -C 12 100 13 11 - -N 14 100 15 037 - -O 16 100 17 004 18 020F 19 100 - - - -Si 28 100 29 51 30 34P 31 100 - - - -S 32 100 33 08 34 44Cl 35 100 - - 37 320Br 79 100 - - 81 980I 127 100 - - - -

Tabelle 1 Isotopenverteilung einiger Elemente normiert auf das haumlufigste Isotop Es wurden nur die in der MSrelevanten Isotope der Elemente aufgefuumlhrt

Der 13C-PeakZwar hat jedes C-Atom nur zu 11 die Chance als 13C aufzutreten doch beim Kohlenstoffist 13C relevant da oft eine groszlige Zahl von C-Atomen in einem Molekuumll vorkommt ImMethan betraumlgt die Intensitaumlt des M+1 Peaks bei mz 17 daher etwa 11 der Intensitaumlt desPeaks bei mz 16 im Hexan hat M+1 mz 73 ca 66 der Intensitaumlt von mz 72

M+1 M+2 M+1 M+2 M+3C1 11 0 C20 22 23 02C2 22 001 C30 33 52 05C4 44 007 C40 44 94 13C6 66 018 C50 55 15 15

C10 110 054 C60 66 21 46C14 154 11 C100 110 60 22

Tabelle 2 Beitraumlge zum M+1 M+2 und M+3 Signal in rel des monoisotopischen Signals durch 13C-Anteil inCn-Verbindungen

M+2 ElementeBei Elementen die hauptsaumlchlich ein schweres Isotop in groumlszligerer Haumlufigkeit enthalten wieSchwefel Silicium Chlor und Brom kann die Isotopenverteilung nach folgendem verein-fachten Ausdruck berechnet werden

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(a + b)n

a ist die relative Haumlufigkeit des leichten Isotopsb ist die relative Haumlufigkeit des schweren Isotopsn ist die Anzahl der Atome des betrachteten Elements im Molekuumll

Si und S zeigen kleine aber deutliche Isotopenpeaks die einen Ruumlckschluszlig auf dasVorhandensein dieser Elemente erlauben Bei Cl und Br schlieszliglich machen die Isotopenpeaksderen Anwesenheit unverkennbarBesonders bei Si und S koumlnnen Uumlberlagerungen mit dem 13C- oder anderen Mustern leichtzum Verwischen fuumlhren Man beachte auszligerdem daszlig die Halogene M M+2 M+4 M+6liefern waumlhrend der Abstand bei Si und S nur 1 u betraumlgt In allen Faumlllen muszlig x (Abb 10)mindestens der Masse der Elementkombination entsprechen z B x = 70 bei Cl2 sonst kannes sich nicht um ein Isotopenmuster handeln

Si Si2 Si3

x +2 x +2 x +2

5134

1071

1511

x +2 x +2

S S2

44 88

Abb 10 Die wichtigsten Isotopenmuster der organischen MS Hier sind die Muster der jeweiligen Elemente sogezeigt wie sie sich ohne Uumlberlagerung mit dem Isotopenmuster des Kohlenstoffs ergeben

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exakteIsotopenmasse

relativeHaumlufigkeit

Massen-uumlberschuszlig

relativeAtommasse

Isotop Nominal-masse

amu mmu amu

1H 1 1007825 99985 782 100792H 2 2014102 0015 141010B 10 10012938 199 1294 1081111B 11 11009305 801 93012C 12 12000000 9890 0 1201113C 13 13003355 110 33514N 14 14003074 99634 307 14006715N 15 15000109 0366 01116O 16 15994915 99762 -508 15999417O 16 16999131 0038 -08618O 18 17999159 0200 -08419F 19 18998403 1000 -159 189984

23Na 23 22989770 1000 -1023 22989828Si 28 27976928 9223 -2307 28085529Si 29 28976496 467 -235030Si 30 29973772 310 -262331P 31 30973763 1000 -2623 30973832S 32 31972072 9502 -2792 3206633S 33 32971459 075 -285434S 34 33967868 421 -3213

35Cl 35 34968853 7577 -3114 35452737Cl 37 36965903 2423 -341039K 39 38963708 932581 -3629 39098340K 40 39963999 00117 -360041K 41 40961825 67302 -381879Br 79 78918336 5069 -8165 7990481Br 81 80916290 4931 -8365127J 127 126904477 1000 -9564 1269044

Tabelle 3 Isotopenhaumlufigkeit exakte Isotopenmassen und relative chemische Atommassen einiger Elemente

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Hochaufloumlsende Massenspektrometrie und exakte Masse

Die relativen Atommassen sind nach IUPAC auf Kohlenstoff bezogen Genauer eineatomare Masseneinheit equiv 1 u equiv 112 der Masse des Kohlenstoffisotops 12C Neben u sind auchdie Bezeichnungen amu (atomic mass unit) und Da (Dalton) in Gebrauch(Die Definition vor 1961 war 1 Masseneinheit ME equiv 116 der Masse Sauerstoffisotops 16ODamit ergeben sich geringfuumlgig andere Atommassen Man muszlig deshalb auf das Erscheinungs-jahr von Massentabellen achten)

MassendefektDie Differenz von exakter Masse zu Nominalmasse wird als Massendefekt (mass deficiency)bzw Massenuumlberschuszlig bezeichnet Alkane und Alkylionen besitzen wegen ihres hohen 1H-Gehalts den groumlszligten Massenuumlberschuszlig dann folgen Amide und Peptide Polyether undPolyalkohole wie Oligosaccharide Kohlenstoff als 12C hat definitionsgemaumlszlig keinenMassendefekt Massendefekte werden oft in halogenierten Verbindungen und generell beimVorliegen von Schweratomen beobachtet Bereits ab mz 500 kann man mit Nominalmassen(H 1 u C 12 u O 16 u ) schon deutlich falsch liegen Das Molkuumllion von C36H74 mz5065790 ist nominal noch mz 506 wuumlrde aber von einem Datensystem ggf zu mz 507aufgerundet Deshalb ist auch bei Verwendung der Nominalmasse eine Dezimalstelleangebracht z B mz 5066

-04-02

002040608

112141618

222242628

3

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

nominale Molmasse (amu)

Mas

send

efek

t (am

u) KohlenstoffNylon-66PEGPTFEPVCPE

Abb 11 Zu bestimmten Gruppen von Summenformeln gehoumlren charakteristische MassendefekteIm Falle von elementarem Kohlenstoff zB bei Fullerenen ist der Wert immer 0 amu Typischeorganische Verbindungen dagegen zeigen Werte von 05-10 amu pro 1000 amu TretenUumlbergangsmetalle oder Halogene auf ist der Wert deutlich verringert und kann sogar unter dieNominalmasse fallen zB bei PFK

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Bestimmung der SummenformelMit doppelfokussierenden Magnetsektorfeldgeraumlten sind Massenaufloumlsungen uumlber 10000 zuerreichen (high resolution HR) So lassen sich Gemische isotopomerer Ionen gleicherNominalmasse wegen ihrer unterschiedlichen exakten Massen trennen und den isotopischenZusammensetzungen zuordnen vorausgesetzt es gelingt eine Zuordnung der Peaks zu einerexakten Masse Dazu verwendet man eine Kalibriersubstanz mit Signalen bekannter exakterMassen als interne Standardisierung der Massenskala Perfluorkerosin (PFK) und andereperfluorierte Verbindungen werden fuumlr die externe Kalibrierung und auch als internerMassenstandard in der EI-HR-MS eingesetzt da sie Ionen mit deutlichem Massendefektbilden die normalerweise leicht von den zu untersuchenden Ionen getrennt werden Ohneinternen Standard waumlre z B bei Auftreten von nur einem der beiden Signale nicht zwischen40Ar+ mz 399624 und C3H4+ mz 400313 zu unterscheiden Demnach werden durchHR-MS Ionenmassen abgesichert und auch zwischen nominal isobaren Eliminierungen z Bvon N2 CO undoder C2H4 kann man klar differenzieren

Mit zunehmender Molmasse kommen jedoch viele Summenformeln in einem experimentellenFehlerbereich von 2ndash5 mmu (milli u) in Frage Bei mz 500 entsprechen 5 mmu einer relativenAbweichung von 10 ppm bei mz 2000 aber nur noch 25 ppm Die Auswahl anSummenformeln im Fehlerintervall wird allerdings oft durch ergaumlnzende Informationeneingeengt Solche Limitierungen ergeben sich aus der Herkunft der Probe (z B nur C H13N und lt 4 O) oder aus dem Isotopenmuster des Molekuumllions (zB 1 Br kein S)

In der Massenspektrometrie kommt der Bestimmung der Summenformel einer unbekanntenSubstanz eine zentrale Bedeutung zu Zwar lassen sich oft schon weitgehende Ruumlckschluumlsseaus dem Isotopenmuster des Molekuumllions ziehen doch eine exakte Massenmessung stellt dieverlaumlszliglichere Information dar da ggf eine Uumlberlagerung des 13C Peaks mit einem [M+H]+

Peak unbekannter Intensitaumlt das Isotopenmuster verfaumllschen Auszligerdem haumlngt der 13C-Gehaltvon der Herkunft der Probe ab was die Bestimmung der Anzahl C-Atome aus dem M+1 Peaklimitiert

Herkunft des Kohlenstoffs 13C

atmosphaumlrisches CO2 1106C3-Pflanzen 1080C4-Pflanzen 1095fossile Stoffe 106-108

Tabelle 4 13C-Gehalt von Kohlenstoff in Abhaumlngigkeit von seiner Herkunft Generell ist der Gehalt derschwereren Isotope in aumlquatorialen Breiten houmlher als in polnahen Regionen

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Ringe plus Doppelbindungen

Wegen der jeweils eigenen Anzahl Valenzen der Elemente berechnet sich die Summe derRinge plus Doppelbindungen r + d (auch Doppelbindungsaumlquivalente DBAuml unsaturationUS) fuumlr ein Molekuumllion der Formel CcHhNnOo nach der Gleichung

r + d = c - 05 h + 05 n + 1Wendet man die Formel auf Pyridin C5H5N an so ergibt sich

r + d = 5 - 05bull5 + 05bull1 + 1 = 5 - 25 + 05 + 1 = 4

Bei Fragmentionen kann der berechnete Wert von r + d auch 05 15 betragen Um denkorrekten Wert zu erhalten rundet man auf die ganze Zahl ab Fuumlr das BenzoylkationC7H5O+ erhaumllt man

r + d = 7 - 05bull5 + 1 = 55

was als r + d = 5 zu interpretieren ist Die Aussage ist dann korrekt wenn man die Fragment-ionen als Carbeniumionen schreibt

O O+

+N N+ +

Treten andere Elemente auf so werden sie nach der Zahl ihrer Valenzen beruumlcksichtigt Sizaumlhlt zu C P zu N S zu O Hal zu H Wenn Elemente houmlhere Valenzen erreichen als in derFormel angenommen werden falsche Werte fuumlr r + d errechnet z B bei SulfoxidenSulfonen Phosphaten Fuumlr jeweils zwei Valenzen mehr als oben angenommen muumlszligte man dieFormel um +1 ergaumlnzen z B Phosphorsaumluretrimethylester C3H9O3P mit 5- statt 3-bindigemPhosphor

r + d = 3 - 45 + 05 + 2 = 1

Man erhaumllt durch diese Rechnung eine Limitierung der Anzahl Strukturvorschlaumlge zu einerSummenformel

Fragmentierungsreaktionen

Ein nicht unwesentlicher Teil der Interpretation von Massenspektren laumlszligt sich durchAnwendung von Zerfallsschemata erreichen Dazu muszlig man die wichtigsten Frag-mentierungsreaktionen verschiedener Ionenspezies kennen Nicht jeder Peak laumlszligt sich sovernuumlnftig erklaumlren Viele Reaktionen sind spezifisch fuumlr eine kleine Gruppe von Ionen ImZweifel ist die Fachliteratur zu Rate zu ziehen Fuumlr die im Kurs abgedeckten Substanzklassenist der Umfang nachfolgender Zusammenstellung ausreichend

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Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen

αααα-Spaltung aktivierter Bindungen

R

O+

α1

α2

RO+

+

O+

R +

α1

α2

Bildung der thermodynamischstabileren Produktpaarung ausIon und Radikal ist bevorzugt

Es wird eine zum Heteroatom α-staumlndigeBindung homolytischgespalten

O+

α

α O+

+ CH3 Das Heteroatom kann

exostaumlndig oder Teileiner Kette sein

O+

H

O+

H

O+

α 15-Hα

O+

+

In alicyclischen Systemen tritt doppelte α-Spaltung unter Umlagerung uumlber distonische Intermediate auf

Als Konkurrenzreaktionwird aber auch die andereProduktpaarung gebildet Deshalb findet man oft zurAbspaltung des Radikals nauch das korrespondierendeIon n+

+

+

R

O

OR

O+

α1

α2

R +

+

α1

α2

Allylspaltung

+

+

+

+

In Alkenen wird bevorzugt die allylische Bindung gespalten wobei das Allylkationgebildet wird

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Alkylspaltung und Olefinverlust aus Alkylkationen

+

+

C2H5

+

C3H7

+ +

- C2H4 28 u

Molekuumllionen mit Alkylketten spalten unselektiv entlang der Kette Alkylradikale abDie gebildeten Alkylkationen gehen Kettenverkuumlrzungen unter Alkenverlust einDaneben treten Isomerisierungen aller Ionenspezies auf

mz 43- CH3

--

Benzylspaltung

+

- C4H9 - C2H2 26 u

mz 77 mz 51

+ +

- C3H7

In Alkylaromaten wird bevorzugt die benzylische Bindung gespalten Es treten die typischen Ionen mz 91 77 65 51 39 oder deren Homologeauf Das Ausmaszlig der Isomerisierung ist verschieden Diese Serie kann aber auch aus nichtaromatischen Ionen gebildet werden wenn die Summenformel C7H7 zustande kommt

- C2H2 26 u

+

+ + +

mz 91 mz 65

- C2H2 26 u

C3H3+

mz 39

+

Die Spaltung der phenylischen Bindung fuumlhrt zu den Ionen bei mz 77 51 Sie ist beiAlkylaromaten weniger bevorzugt

Benzoylverbindungen dagegen bilden durch αminusSpaltung zunaumlchstdas Benzoylkation das unter CO-Verlust zu mz 77 51 weiterfragmentiert

O

R ++

mz 51mz 77

- C2H2 26 u

+

- R

α

+O

- CO 28 u

mz 105

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McLafferty-Umlagerung (ββββ-Spaltung mit γγγγ-H-Transfer)

OH R+

ORH+

15-H OH R+

+

In Molekuumllionen mit C=X-Doppelbindung tritt McLafferty-Umlagerung auf wenn ein γ-H-Atomuumlber die Sechsringkonformation auf X uumlbertragen werden kann Es tritt Alkenverlust aufMan kann die Umlagerung auch konzertiert formulieren

a)

b)

N

H R

+15-H-

N

R+

NR

++

In closed-shell Ionen wird ein analoger Prozeszlig beobachtet Onium-Ionen eliminieren einAlken-Molekuumll unter Bildung eines neuen Onium-Ions

c)

H

R + R

HH

+ HH

+

mz 92

+

R

Alkylaromaten bilden neben der Benzylspaltung mz 92oder Homologe durch McLafferty-Umlagerung DasIon mz 92 ist ein Isomer des Toluol-Molekuumllions

15-H

Eine andere Moumlglichkeit ein Alken aus dem Molekuumllion zu eliminieren ist die

AB

+

A B++

+BAA

B

+

+

Molekuumllionen und closed-shellIonen mit einem Sechsringsystemdas eine Doppelbindung enthaumlltgehen RDA ein Die Dien-Komponentetraumlgt bevorzugt die LadungEs koumlnnen Heteroatome enthalten sein

Retro-Diels-Alder-Reaktion RDA

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R

++N

R

H

Onium-Reaktion

+ HN

Onium-Ionen zeigen Alkenverluste unter Abspaltung des gesamten AlkylrestesDas uumlbertragene H kann aus der ganzen Kette stammen Der Mechanismus isteigentlich komplizierter es treten intermediaumlr Ion-Molekuumll-Komplexe aufWegen der Delokalisierung der Ladung sind sowohl die C=X+-R als auch die R-C+-X-Bindung moumlgliche Positionen fuumlr die Onium-Rkt

a)

c)

OR

+OH+

+R

OR+

+

Vor allem Oxonium-Ionen zeigen neben Alkenverlust auch Aldehydverlust da die Differenz der Protonenaffinitaumlten von Aldehyd und Carbenium-Ion relativ gering istBei genuumlgender innerer Energie gehen alle Onium-Ionen beide Reaktionen ein

b)

NH2R+

+NH2R

R NH2++

OH +O

H

H

+

CO-Verlust aus Phenolen

- CO

mz 9428 u

mz 66

+

+

mz 65

- H

CO-Verlust tritt auszligerdem bei anderen ungesaumlttigten cyclischen Ketonen und beiAcylium-Ionen auf CO-Verlust kann eine thermische Rkt vor der Ionisation sein

- 23 -

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ortho-Effekt oder Retro-14-Addition

OMe

H

O

4

1

+ O+

- MeOH

Bei ortho-substituierten Benzol- und bei 18-substituierten Naphthalinderivatenkoumlnnen Fragmentierungen auftreten die nur durch Wechselwirkung beider Sub-stituenten moumlglich werden Dazu gehoumlren auch OH-Verluste aus Nitroaromaten

Referenzspektren

Anhand von Referenzspektren lassen sich gut substanzklassenspezifische Charakteristikaerkennen Deshalb kommt Spektrenbibliotheken eine groumlszligere Bedeutung als nur die direkteIdentifizierung einer unbekannten Verbindung zu

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- 25 -

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NISTEPANIH Mass Spectral Data Base 1998

Tabellen charakteristischer Fragmentionen und MassendifferenzenZur Beachtung

Diese Tabellen sind mit Vorsicht zu genieszligen Es gibt sicher noch viele andere isobareFragmentionen und Massendifferenzen Auszligerdem laumlszligt man sich all zu leicht auf einenbestimmten Interpretationsansatz festlegen

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

30 Amine primaumlre Amine falls

intensiver als homologe

Iminium-Ionen

NH2+

30 Nitroverbindungen NO+

31 Alkohole Ether Acetale wenn intensivstes der

Oxonium-Ionen prim

Alkohol

OH+

32 Sauerstoff meist Untergrund [O2]+

32 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [S]+

33 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [HS]+

34 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [H2S]+

35 Chlorverbindungen plus Isotop 37Cl [Cl]+

36 Chlorverbindungen HCl plus Isotop 37Cl [HCl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

- 27 -

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

- 28 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 4: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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Quasi-Equilibrium-TheorieDamit eine Reaktion mit endlicher Geschwindigkeit ablaufen kann (k gt 0) wird etwas mehrEnergie als das AP benoumltigt d h es muszlig eine Uumlberschuszligenergie im Uumlbergangszustand

ε = ε minus εovorhanden sein Nach der vereinfachten Quasi-Equilibrium-Theorie (QET) gilt fuumlr dieGeschwindigkeitskonstante der Ausdruck

k(ε) = ν (ε ε)n

darin ist ν eine Zeitkonstante und n beruumlcksichtigt die Zahl der inneren Freiheitsgrade VomUumlbergangszustand aus gesehen besteht eine Uumlberschuszligenergie εexcess relativ zu denProdukten die im wesentlichen der Aktivierungsenergie der Ruumlckreaktion εor entspricht EinTeil von εor liegt dann als Schwingungsanregung der Fragmente vor und ermoumlglicht so derenFolgezerfaumllle Der Rest wird als kinetische Energie T auf die Fragmente uumlbertragen (kineticenergy release KER) was sich in deren gegenseitigem Auseinanderfliegen aumluszligert EinfacheBindungsspaltungen fuumlhren zu sehr kleinem KER von 10ndash50 meV da die Rekombination vonRadikalen mit Ionen fast ohne Aktivierungsenergie verlaumluft

Massenspektrometrische ZeitskalaAm Beispiel eines unter EI erzeugten Ions von mz 100 und einem ZAB-2F Sektorfeld-MS beiU = 8 kV veranschaulicht Holmes die massenspektrometrische Zeitskala Man beachte dielogarithmische Zeitachse fuumlr die Ionenquelle In der Groumlszligenordnung stimmt diese Zeitskalaauch fuumlr andere Ionisationsmethoden undoder Analysatortypen

Abb 4 Massenspektrometrische Zeitskala (Holmes OMS 20 169 1985)

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Identifizierung des MolpeaksNicht immer handelt es sich beim massenhoumlchsten Signal im Spektrum um den MolpeakManche Molekuumllionen fragmentieren schon bei geringer innerer Energie sehr schnell ZurIdentifizierung des Molpeaks kann daher ein Spektrum bei niedriger Primaumlrelektronenenergiehelfen Diese wird in einem Energiebereich in der Naumlhe der IE gewaumlhlt Bei organischenMolekuumllen sind das ca 7ndash15 eV Man erhaumllt Molekuumllionen die kaum noch fragmentierenkoumlnnen so daszlig der Molpeak relativ intensiver auftritt als die Fragmentionenpeaks Insgesamtwird die Intensitaumlt der Ionen bei niedriger Elektronenenergie erheblich herabgesetzt wie sichaus der Kurve der Ionisationsausbeute ablesen laumlszligt Liefert ein Molekuumll bei 70 eVElektronenenergie keinen Molpeak so kann oft auch bei 15 eV kein Signal gefunden werdenDeshalb weicht man besser auf die sog sanften Ionisationsmethoden aus

Abb 5 Verteilung der Ionenausbeute als Funktion der Primaumlrelektronenenergie Bei 70 eV liegt ein Plateau hierist die Ionenausbeute fuumlr alle Substanzen vergleichbar und optimal Daher benutzt man 70 eV bei der Aufnahmevon Routine-EI-Spektren (Schroumlder 1991)

Abb 6 EI-Spektren von Ethylacetat bei a) 14 eV b) 20 eV und c) 60 eV Mit zunehmender Elektronenenergienimmt die rel Int von M+ stark ab Ein Vergleich mit der Kurve der Ionenausbeute zeigt aber daszlig die absoluteIntensitaumlt von M+ allenfalls gleich bleibt diese ist jedoch entscheidend fuumlr die Detektion eines Signals(Chapman 1993)

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Funktion eines MassenspektrometersIonenquelleDie Funktion der Ionenquelle besteht darin aus dem Analyten isolierte Ionen in der Gasphasezu erzeugen und diese zum Analysator hin zu beschleunigen Je nach Analysatortyp undIonisationsmethode koumlnnen die Anforderungen an diese Baugruppe stark variieren

Im Falle der EI-Ionenquelle verdampft die Substanz entweder aus einem beheizbaren Tiegeloder aus einen Referenzeinlaszligsystem in das vom Elektronenstrahl durchquerteIonisationsvolumen Im Schnittpunkt der beiden Strahlen findet die Ionisation statt DieIonisationswahrscheinlichkeit liegt bei nur 10-3ndash10-5 trotzdem ist EI eine Technik mit extremniedriger Nachweisgrenze Nicht ionisierte oder durch Wandstoumlszlige neutralisierte Teilchenwerden von einem leistungsstarken Vakuumsystem abgepumpt Bei lt 10-6 mbar sind dieIonen isoliert in der Gasphase Der Repeller verbessert die Extraktion der Ionen aus derIonenquelle Die Beschleunigungsspannung U liegt zur Fokussierung des Ionenstrahls in denAnalysator verteilt uumlber mehrere Blenden an

Abb 7 Schema einer typischen EI-Ionenquelle Der neutrale Molekularstrahl tritt senkrecht zur Papierebene indie Quelle ein (Schroumlder 1991)

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den AnalysatorAlle im Ionisationsvolumen der Ionenquelle erzeugten Ionen durchlaufen ein Potentialgefaumllledie Beschleunigungsspannung U das variabel gewaumlhlt werden kann Typische Werte sind 1bis 10 kV Daher treten die Ionen der Masse m und der Ladung q = ze mit hoher kinetischerEnergie in den Analysator ein Fuumlr einfach geladene Ionen gilt q = e und damit

e U = 12

m v2 = Ekin

Bei konstanter Spannung U besitzen alle einfach geladenen Ionen unabhaumlngig von ihrer Massegleiche kinetische Energie Es ist ohne Einfluszlig ob es sich um Molekuumllionen oderFragmentionen handelt solange sie vor dem Eintritt in das Beschleunigungsfeld gebildetwurden Die Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator betraumlgt

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v = 2eUm

Laumlszligt man die Einheiten beiseite kann man eine Schnellformel daraus erhalten

mzU 13900= v

Offenbar haumlngt die Geschwindigkeit der Ionen bei gegebener Beschleunigungsspannung vonder Masse der Ionen ab Laumlszligt sich das ausnutzen

Analysator

Generell werden Massenspektrometer nach ihrem Analysator bezeichnet d h nach denverschiedenen Methoden zur Ionentrennung nach mz

Sektorfeldgeraumlte (B BE EB EBE EBEB BEBE)Magnetische (B) und elektrische (E) Sektorfelder senkrecht zur Flugrichtung der Ionen

Quadrupolgeraumlte (Q QqQ)Uumlberlagerung zeitlich konstanter und hochfrequenter elektrischer Quadrupolfelder in linearenQuadrupolen (Q Massentrennung q nur fokussierende Wirkung)

Quadrupol-Ionenfallen (Trap IT Quistor)Uumlberlagerung zeitlich konstanter und hochfrequenter elektrischer Quadrupolfelder in einerPaul-Falle Erlaubt Speicherung der Ionen

Ionencyclotronresonanzgeraumlte (ICR)Elektrische Anregung in sehr starkem Magnetfeld (3-7 T) und Bestimmung derCyclotronresonanzfrequenz Erlaubt Speicherung der Ionen

Flugzeitgeraumlte (TOF)Bestimmung der Flugzeit (time-of-flight) der Ionen Benoumltigt eine gepulste Ionenquelle

Hybridgeraumlte (BEqQ BEtrap EBE-TOF)Kombination verschiedener Analysatoren fuumlr MSMS billiger als Multi-Sektorfeld

Der Analysator im SektorfeldmassenspektrometerIn einem doppelfokussierenden Sektorfeldmassenspektrometer werden die Ionen durch eineAnordnung aus einem homogenen Magnetfeld (B-Sektor) und einem zylindrischenelektrischen Feld (E-Sektor electrostatic analyzer ESA) nach mz getrennt Man unterscheidetBE- und EB-Geometrie Der Analysator ist zur Ionenquelle durch den Eintrittsspalt (sourceslit entrance slit object slit) zum Detektor durch den Austrittsspalt (collector slit image slit)begrenzt

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Abb 8 Das VG ZAB-2F und das neuere Jeol JMS-700 des Organisch-Chemischen Instituts sind typische BE-Sektorfeldgeraumlte Die Abbildung zeigt das Schema des ZAB-2F

Flugbahn im homogenen MagnetfeldDie Feldlinien des magnetischen Sektorfeldes mit der Feldstaumlrke B stehen senkrecht zurBewegungsrichtung der Ionen Als Folge der Lorentz-Kraft laufen die Ionen auf einer Kreis-bahn deren Radius rm durch Gleichheit von Lorentz-Kraft und Zentrifugalkraft bestimmt istFuumlr einfach geladene Ionen gilt und senkrechten Eintritt ins Magnetfeld laumlszligt sich vereinfachtdie skalare Beziehung schreiben

e Bv = m vr

r = mvB e

2

m

m

Der Bahnradius im B-Sektor ist also dem Impuls p = m v der Teilchen proportionalUmformen nach me liefert

me

r Bv

m=

Nach Einsetzen von v erhaumllt man

me

r B meU

=2

und darausme

= r B 2U

m2 2

Diese Gleichung ist auch als massenspektrometrische Grundgleichung bekannt Wegen derVielzahl von in der MS-Praxis genutzten Analysatortypen gibt es aber eigentlich nicht mehrnur eine Grundgleichung

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Flugbahn im elektrischen FeldIm elektrischen Feld der Feldstaumlrke E fliegen die Ionen auf einer Kreisbahn deren Radiusbestimmt wird durch die Beziehung

e E = mvr

r = m ve E

r = 2UE

2

e

e 2

e

Das elektrische Feld wirkt als Energiefilter Da es die Energieunschaumlrfe der Ionen eliminiertwird die erreichbare Massenaufloumlsung eines doppelfokussierenden Sektorfeldgeraumltesgegenuumlber einem reinen B-Sektorfeldgeraumlt um ein Vielfaches erhoumlht

AufloumlsungsvermoumlgenAls Massenaufloumlsung oder Aufloumlsungsvermoumlgen R (resolution) definiert man R = M∆MDabei kann ∆M von Peaktop zu Peaktop durch die Peakbreite bei 10 Houmlhe (10 Tal-Definition seltener bei 5 Houmlhe) oder bei 50 Houmlhe (Full width at half maximum FWHM)gemessen werden Es gilt 18R10 = RFWHM Durch Variation der Spaltweiten laumlszligt sich dieAufloumlsung eines guten Sektorfeldgeraumltes im Bereich von ca 500ndash50000 variieren SteigendeAufloumlsung verringert allerdings betraumlchtlich die Transmission

Abb 9 Die verschiedenen Definitionen der Aufloumlsung in der MS

Metastabile Ionen und Stoszligaktivierungs-MSInstabile IonenDie meisten Molekuumllionen zerfallen schon 10-12ndash10-6 s nach der Ionisation als Folge ihrerhohen inneren Energie Da die Verweilzeit im Ionisationsvolumen etwa 10-6 s betraumlgt werdennur noch deren Zerfallsprodukte in das Beschleunigungsfeld eintreten und schlieszliglich

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detektiert werden Ionen mit einer Lebensdauer lt 10-6 s werden in der MS deshalb alsinstabile Ionen bezeichnet

Stabile IonenMolekuumllionen mit geringer innerer Energie koumlnnen keine Zerfallsschwelle uumlberwinden Wennsie in einem Potentialminimum existieren sind sie unter den Bedingungen des Massen-spektrometers (bei lt 10-6 mbar isoliert in der Gasphase) stabil

Metastabile IonenNicht alle die Ionenquelle verlassenden Ionen uumlberleben die Flugzeit bis zum Detektormanche zerfallen im Transit Diese Ionen werden als metastabile Ionen bezeichnet Man kanndefinieren metastabile Ionen haben eine Lebensdauer in der Groumlszligenordnung von 10ndash6ndash10ndash5 s

Scantechnik beim SektorfeldgeraumltDa der Radius des B-Sektors und Ekin der Ionen festgelegt sind variiert man zur Aufnahmevon Massenspektren der in der Ionenquelle gebildeten Ionen die magnetische Feldstaumlrke Bsog B-Scan oder M-Scan Uumlblich sind Scanraten von 1ndash10 sDecade z B mz 50ndash500 in 5 sbei 5 sDecade Eine andere Methode ist die proportionale Variation von Beschleunigungs-spannung und ESA-Spannung sog E-Scan oder HV-Scan Wegen der damit verbundenenDefokussierung der Ionenquelle kann nur ein kleinerer Massenbereich ca 50 des amMagneten eingestellten mz-Wertes abgedeckt werden

Zerfaumlllt ein metastabiles Ion der Masse m1 d h nachdem es die volle Beschleunigungs-spannung durchlaufen hat in einer feldfreien Region (FFR) vor dem B-Sektor in eingeladenes Bruchstuumlck der Masse m2 und ein ungeladenes der Masse n = (m1-m2) dann fliegendie Produkte m2 und n mit der unveraumlnderten Geschwindigkeit v1 = v2 weiter

v = 2eUm

11

Der Bahnradius r2 des geladenen Bruchstuumlckes m2 beim Durchfliegen des B-Sektors ist

= me B

2 1r2v

Nach Einsetzen von v1 erhaumllt man

r2 22

1 = 1

B 2 m U

m eDas Bruchstuumlck der Masse m2 wird demnach bei einer effektiven Massenzahl

m = m22 m1

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im Massenspektrum registriert sofern es sich um ein B- oder EB-Geraumlt handelt BE-Geraumltezeigen keine metastabilen Ionen im Spektrum da diese wegen ihrer verringerten kinetischenEnergie nicht den E-Sektor passieren koumlnnenDie Untersuchung metastabiler Ionen ist eine wichtige Methode in der Chemie isolierter Ionenin der Gasphase Deshalb wurde eine Vielzahl von Scantechniken fuumlr Sektorfeldmassen-spektrometer entwickelt die es erlauben die Zerfaumllle metastabiler Ionen in einer FFR vor demB-Sektor oder auch vor dem E-Sektor zu registrieren Daraus lassen sich Informationen uumlberintrinsische Eigenschaften der Ionen und uumlber Zerfallsmechanismen gewinnen Auch fuumlrlineare Quadrupol- Quadrupol-Ionenfallen- ICR- und TOF-Massenspektrometer gibt esTechniken zur Untersuchung isolierter Ionen auf die hier aber nicht naumlher eingegangenwerden kann Generell bezeichnet man diese Techniken als Tandem-MS MSMS oder MSnda inzwischen auch mehrstufige MS-Experimente realisiert werden koumlnnenBeim Einsatz der sanften Ionisationsmethoden werden nahezu ausschlieszliglich stabileMolekuumllionen erzeugt Um dennoch Strukturinformation zu erhalten kann man dieFragmentierung durch Stoszligaktivierung (collisionally induced dissociation CID collisionalactivation CA) erzwingen Dazu wird der Ionenstrahl durch eine Stoszligkammer mit einemneutralen Stoszliggas (He Ar N2) geschickt Die Umgebung der Stoszligkammer wird durch dasdifferentielle Pumpsystem unter Hochvakuum gehalten Bei den hochenergetischen Stoumlszligenmit den Gasatomen werden die Ionen aumlhnlich angeregt wie bei der EI-Ionisation DieFragmentionen werden dann mittels Tandem-MS analysiert

Detektor

Der einfachste Detektor ist ein Faraday cup ein kleiner Metallbecher der die Ionen sammeltund sich dabei elektrisch auflaumldt Die Ladung flieszligt uumlber einen Widerstand von 10ndash100 MΩab uumlber den der Spannungsabfall gemessen und nach Verstaumlrkung registriert wird DiesesSystem wird nur noch in der Isotopen-MS eingesetzt

Heute werden oft Sekundaumlrelektronen-Vervielfacher (SEV secondary electron multiplierSEM) benutzt Der Ionenstrahl trifft auf eine Konversionsdynode aus einemHalbleitermaterial dadurch werden Elektronen freigesetzt die auf die naumlchste Dynode hinbeschleunigt werden Uumlber 14ndash17 Stufen uumlber die insgesamt 1ndash3 kV anliegen wird so eineVerstaumlrkungskaskade ausgeloumlst (Faktor 106ndash108) Der Strom wird verstaumlrkt und in einSpannungssignal umgewandelt

Anstelle einzelner Dynoden kann man eine kontinuierliche Bauart des SEV verwenden dasChanneltron Das Channeltron ist ein kleines gebogenes Houmlrnchen uumlber das vom Eintritt biszum Ende 1ndash3 kV angelegt werden

Schneidet man ein Buumlndel tausender zusammengesinterter Glaskapillaren mit entsprechenderBeschichtung der Innenwaumlnde in duumlnne Scheiben entsteht eine Anordnung bei der jeder

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dieser feinen Kanaumlle wie ein kleines Channeltron wirkt Dies ist eine sog Microchannel plate(MCP ca 2ndash5 cm Durchmesser) Die groszlige Oberflaumlche erlaubt eine sehr empfindlicheDetektion eintreffender Ionen uumlber einen groszligen Raumwinkel (vorteilhaft bei TOF-MS)

Anstatt das Signal der gesamten MCP zusammenzufassen kann man es auch ortsaufgeloumlstregistrieren Solch ein Array-Detektor kann simultan einen bestimmten Massenbereich ( ca5ndash10 des eingestellten mz eines Sektorfeldgeraumlts) in 512ndash2048 Kanaumlle detektieren und soeine im Vergleich zum SEV 100-fach houmlhere Empfindlichkeit erreichen

DatensystemDie Leistungsfaumlhigkeit moderner Massenspektrometer wird zu einem nicht unerheblichen Teildurch das zur Meszligdatenerfassung und -auswertung verwendete Datensystem bestimmt Auchdie Geraumltesteuerung wird bei modernen Systemen ausschlieszliglich uumlber den Rechner ab-gewickelt Gute Software kann einen gewaltigen Beitrag zu Probendurchsatz undQualitaumltssicherung beisteuern (Leider fuumlhren fully automated and easy to use-Geraumlte nichtselten zu einem gewissen Dilettantismus in der MS)

Grundlagen der Spektreninterpretation

Isotopie der ElementeDie meisten Elemente sind keine Reinelemente d h sie kommen nicht monoisotopisch vorMan kann grob folgende massenspektrometrisch relevante Gruppen einteilen (fuumlr die uumlbrigenElemente sei auf die gaumlngige MS-Literatur verwiesen)

1 Reinelemente wie 19F 31P 127I oder 133Cs

2 Elemente mit einem Hauptisotop und ein oder zwei Begleitisotopen von sehr geringerHaumlufigkeit (lt 03 ) Dazu gehoumlren 1H 14N 16O Fuumlr die meisten Zwecke lassen sie sich wiedie Reinelemente beruumlcksichtigen

3 Elemente mit einem Hauptisotop und ein oder zwei Begleitisotopen von geringerHaumlufigkeit (lt 5 ) Dazu gehoumlren 12C 28Si und 32S

4 Elemente die mit zwei Isotopen vergleichbarer Haumlufigkeit auftreten wie 10B 11B oder dieHalogene 35Cl 37Cl und 79Br 81Br

5 Elemente mit mehreren Isotopen und relativ gleichmaumlszligiger Verteilung wie Hg Sn Ru etc

Information aus den IsotopenpeaksDie Haumlufigkeit der Molekuumlle die ein Molgewicht haben das 1 2 3 oder mehr Massen-einheiten uumlber dem Molgewicht des monoisotopischen Molekuumlls liegt haumlngt ab von derAnzahl der vorhandenen Atome und von der relativen Haumlufigkeit der Isotope in denbeteiligten Elementen

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Element M M+1 M+2Masse Masse Masse

H 1 100 2 0015 - -B 10 248 11 100 - -C 12 100 13 11 - -N 14 100 15 037 - -O 16 100 17 004 18 020F 19 100 - - - -Si 28 100 29 51 30 34P 31 100 - - - -S 32 100 33 08 34 44Cl 35 100 - - 37 320Br 79 100 - - 81 980I 127 100 - - - -

Tabelle 1 Isotopenverteilung einiger Elemente normiert auf das haumlufigste Isotop Es wurden nur die in der MSrelevanten Isotope der Elemente aufgefuumlhrt

Der 13C-PeakZwar hat jedes C-Atom nur zu 11 die Chance als 13C aufzutreten doch beim Kohlenstoffist 13C relevant da oft eine groszlige Zahl von C-Atomen in einem Molekuumll vorkommt ImMethan betraumlgt die Intensitaumlt des M+1 Peaks bei mz 17 daher etwa 11 der Intensitaumlt desPeaks bei mz 16 im Hexan hat M+1 mz 73 ca 66 der Intensitaumlt von mz 72

M+1 M+2 M+1 M+2 M+3C1 11 0 C20 22 23 02C2 22 001 C30 33 52 05C4 44 007 C40 44 94 13C6 66 018 C50 55 15 15

C10 110 054 C60 66 21 46C14 154 11 C100 110 60 22

Tabelle 2 Beitraumlge zum M+1 M+2 und M+3 Signal in rel des monoisotopischen Signals durch 13C-Anteil inCn-Verbindungen

M+2 ElementeBei Elementen die hauptsaumlchlich ein schweres Isotop in groumlszligerer Haumlufigkeit enthalten wieSchwefel Silicium Chlor und Brom kann die Isotopenverteilung nach folgendem verein-fachten Ausdruck berechnet werden

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(a + b)n

a ist die relative Haumlufigkeit des leichten Isotopsb ist die relative Haumlufigkeit des schweren Isotopsn ist die Anzahl der Atome des betrachteten Elements im Molekuumll

Si und S zeigen kleine aber deutliche Isotopenpeaks die einen Ruumlckschluszlig auf dasVorhandensein dieser Elemente erlauben Bei Cl und Br schlieszliglich machen die Isotopenpeaksderen Anwesenheit unverkennbarBesonders bei Si und S koumlnnen Uumlberlagerungen mit dem 13C- oder anderen Mustern leichtzum Verwischen fuumlhren Man beachte auszligerdem daszlig die Halogene M M+2 M+4 M+6liefern waumlhrend der Abstand bei Si und S nur 1 u betraumlgt In allen Faumlllen muszlig x (Abb 10)mindestens der Masse der Elementkombination entsprechen z B x = 70 bei Cl2 sonst kannes sich nicht um ein Isotopenmuster handeln

Si Si2 Si3

x +2 x +2 x +2

5134

1071

1511

x +2 x +2

S S2

44 88

Abb 10 Die wichtigsten Isotopenmuster der organischen MS Hier sind die Muster der jeweiligen Elemente sogezeigt wie sie sich ohne Uumlberlagerung mit dem Isotopenmuster des Kohlenstoffs ergeben

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exakteIsotopenmasse

relativeHaumlufigkeit

Massen-uumlberschuszlig

relativeAtommasse

Isotop Nominal-masse

amu mmu amu

1H 1 1007825 99985 782 100792H 2 2014102 0015 141010B 10 10012938 199 1294 1081111B 11 11009305 801 93012C 12 12000000 9890 0 1201113C 13 13003355 110 33514N 14 14003074 99634 307 14006715N 15 15000109 0366 01116O 16 15994915 99762 -508 15999417O 16 16999131 0038 -08618O 18 17999159 0200 -08419F 19 18998403 1000 -159 189984

23Na 23 22989770 1000 -1023 22989828Si 28 27976928 9223 -2307 28085529Si 29 28976496 467 -235030Si 30 29973772 310 -262331P 31 30973763 1000 -2623 30973832S 32 31972072 9502 -2792 3206633S 33 32971459 075 -285434S 34 33967868 421 -3213

35Cl 35 34968853 7577 -3114 35452737Cl 37 36965903 2423 -341039K 39 38963708 932581 -3629 39098340K 40 39963999 00117 -360041K 41 40961825 67302 -381879Br 79 78918336 5069 -8165 7990481Br 81 80916290 4931 -8365127J 127 126904477 1000 -9564 1269044

Tabelle 3 Isotopenhaumlufigkeit exakte Isotopenmassen und relative chemische Atommassen einiger Elemente

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Hochaufloumlsende Massenspektrometrie und exakte Masse

Die relativen Atommassen sind nach IUPAC auf Kohlenstoff bezogen Genauer eineatomare Masseneinheit equiv 1 u equiv 112 der Masse des Kohlenstoffisotops 12C Neben u sind auchdie Bezeichnungen amu (atomic mass unit) und Da (Dalton) in Gebrauch(Die Definition vor 1961 war 1 Masseneinheit ME equiv 116 der Masse Sauerstoffisotops 16ODamit ergeben sich geringfuumlgig andere Atommassen Man muszlig deshalb auf das Erscheinungs-jahr von Massentabellen achten)

MassendefektDie Differenz von exakter Masse zu Nominalmasse wird als Massendefekt (mass deficiency)bzw Massenuumlberschuszlig bezeichnet Alkane und Alkylionen besitzen wegen ihres hohen 1H-Gehalts den groumlszligten Massenuumlberschuszlig dann folgen Amide und Peptide Polyether undPolyalkohole wie Oligosaccharide Kohlenstoff als 12C hat definitionsgemaumlszlig keinenMassendefekt Massendefekte werden oft in halogenierten Verbindungen und generell beimVorliegen von Schweratomen beobachtet Bereits ab mz 500 kann man mit Nominalmassen(H 1 u C 12 u O 16 u ) schon deutlich falsch liegen Das Molkuumllion von C36H74 mz5065790 ist nominal noch mz 506 wuumlrde aber von einem Datensystem ggf zu mz 507aufgerundet Deshalb ist auch bei Verwendung der Nominalmasse eine Dezimalstelleangebracht z B mz 5066

-04-02

002040608

112141618

222242628

3

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

nominale Molmasse (amu)

Mas

send

efek

t (am

u) KohlenstoffNylon-66PEGPTFEPVCPE

Abb 11 Zu bestimmten Gruppen von Summenformeln gehoumlren charakteristische MassendefekteIm Falle von elementarem Kohlenstoff zB bei Fullerenen ist der Wert immer 0 amu Typischeorganische Verbindungen dagegen zeigen Werte von 05-10 amu pro 1000 amu TretenUumlbergangsmetalle oder Halogene auf ist der Wert deutlich verringert und kann sogar unter dieNominalmasse fallen zB bei PFK

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Bestimmung der SummenformelMit doppelfokussierenden Magnetsektorfeldgeraumlten sind Massenaufloumlsungen uumlber 10000 zuerreichen (high resolution HR) So lassen sich Gemische isotopomerer Ionen gleicherNominalmasse wegen ihrer unterschiedlichen exakten Massen trennen und den isotopischenZusammensetzungen zuordnen vorausgesetzt es gelingt eine Zuordnung der Peaks zu einerexakten Masse Dazu verwendet man eine Kalibriersubstanz mit Signalen bekannter exakterMassen als interne Standardisierung der Massenskala Perfluorkerosin (PFK) und andereperfluorierte Verbindungen werden fuumlr die externe Kalibrierung und auch als internerMassenstandard in der EI-HR-MS eingesetzt da sie Ionen mit deutlichem Massendefektbilden die normalerweise leicht von den zu untersuchenden Ionen getrennt werden Ohneinternen Standard waumlre z B bei Auftreten von nur einem der beiden Signale nicht zwischen40Ar+ mz 399624 und C3H4+ mz 400313 zu unterscheiden Demnach werden durchHR-MS Ionenmassen abgesichert und auch zwischen nominal isobaren Eliminierungen z Bvon N2 CO undoder C2H4 kann man klar differenzieren

Mit zunehmender Molmasse kommen jedoch viele Summenformeln in einem experimentellenFehlerbereich von 2ndash5 mmu (milli u) in Frage Bei mz 500 entsprechen 5 mmu einer relativenAbweichung von 10 ppm bei mz 2000 aber nur noch 25 ppm Die Auswahl anSummenformeln im Fehlerintervall wird allerdings oft durch ergaumlnzende Informationeneingeengt Solche Limitierungen ergeben sich aus der Herkunft der Probe (z B nur C H13N und lt 4 O) oder aus dem Isotopenmuster des Molekuumllions (zB 1 Br kein S)

In der Massenspektrometrie kommt der Bestimmung der Summenformel einer unbekanntenSubstanz eine zentrale Bedeutung zu Zwar lassen sich oft schon weitgehende Ruumlckschluumlsseaus dem Isotopenmuster des Molekuumllions ziehen doch eine exakte Massenmessung stellt dieverlaumlszliglichere Information dar da ggf eine Uumlberlagerung des 13C Peaks mit einem [M+H]+

Peak unbekannter Intensitaumlt das Isotopenmuster verfaumllschen Auszligerdem haumlngt der 13C-Gehaltvon der Herkunft der Probe ab was die Bestimmung der Anzahl C-Atome aus dem M+1 Peaklimitiert

Herkunft des Kohlenstoffs 13C

atmosphaumlrisches CO2 1106C3-Pflanzen 1080C4-Pflanzen 1095fossile Stoffe 106-108

Tabelle 4 13C-Gehalt von Kohlenstoff in Abhaumlngigkeit von seiner Herkunft Generell ist der Gehalt derschwereren Isotope in aumlquatorialen Breiten houmlher als in polnahen Regionen

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Ringe plus Doppelbindungen

Wegen der jeweils eigenen Anzahl Valenzen der Elemente berechnet sich die Summe derRinge plus Doppelbindungen r + d (auch Doppelbindungsaumlquivalente DBAuml unsaturationUS) fuumlr ein Molekuumllion der Formel CcHhNnOo nach der Gleichung

r + d = c - 05 h + 05 n + 1Wendet man die Formel auf Pyridin C5H5N an so ergibt sich

r + d = 5 - 05bull5 + 05bull1 + 1 = 5 - 25 + 05 + 1 = 4

Bei Fragmentionen kann der berechnete Wert von r + d auch 05 15 betragen Um denkorrekten Wert zu erhalten rundet man auf die ganze Zahl ab Fuumlr das BenzoylkationC7H5O+ erhaumllt man

r + d = 7 - 05bull5 + 1 = 55

was als r + d = 5 zu interpretieren ist Die Aussage ist dann korrekt wenn man die Fragment-ionen als Carbeniumionen schreibt

O O+

+N N+ +

Treten andere Elemente auf so werden sie nach der Zahl ihrer Valenzen beruumlcksichtigt Sizaumlhlt zu C P zu N S zu O Hal zu H Wenn Elemente houmlhere Valenzen erreichen als in derFormel angenommen werden falsche Werte fuumlr r + d errechnet z B bei SulfoxidenSulfonen Phosphaten Fuumlr jeweils zwei Valenzen mehr als oben angenommen muumlszligte man dieFormel um +1 ergaumlnzen z B Phosphorsaumluretrimethylester C3H9O3P mit 5- statt 3-bindigemPhosphor

r + d = 3 - 45 + 05 + 2 = 1

Man erhaumllt durch diese Rechnung eine Limitierung der Anzahl Strukturvorschlaumlge zu einerSummenformel

Fragmentierungsreaktionen

Ein nicht unwesentlicher Teil der Interpretation von Massenspektren laumlszligt sich durchAnwendung von Zerfallsschemata erreichen Dazu muszlig man die wichtigsten Frag-mentierungsreaktionen verschiedener Ionenspezies kennen Nicht jeder Peak laumlszligt sich sovernuumlnftig erklaumlren Viele Reaktionen sind spezifisch fuumlr eine kleine Gruppe von Ionen ImZweifel ist die Fachliteratur zu Rate zu ziehen Fuumlr die im Kurs abgedeckten Substanzklassenist der Umfang nachfolgender Zusammenstellung ausreichend

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Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen

αααα-Spaltung aktivierter Bindungen

R

O+

α1

α2

RO+

+

O+

R +

α1

α2

Bildung der thermodynamischstabileren Produktpaarung ausIon und Radikal ist bevorzugt

Es wird eine zum Heteroatom α-staumlndigeBindung homolytischgespalten

O+

α

α O+

+ CH3 Das Heteroatom kann

exostaumlndig oder Teileiner Kette sein

O+

H

O+

H

O+

α 15-Hα

O+

+

In alicyclischen Systemen tritt doppelte α-Spaltung unter Umlagerung uumlber distonische Intermediate auf

Als Konkurrenzreaktionwird aber auch die andereProduktpaarung gebildet Deshalb findet man oft zurAbspaltung des Radikals nauch das korrespondierendeIon n+

+

+

R

O

OR

O+

α1

α2

R +

+

α1

α2

Allylspaltung

+

+

+

+

In Alkenen wird bevorzugt die allylische Bindung gespalten wobei das Allylkationgebildet wird

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Alkylspaltung und Olefinverlust aus Alkylkationen

+

+

C2H5

+

C3H7

+ +

- C2H4 28 u

Molekuumllionen mit Alkylketten spalten unselektiv entlang der Kette Alkylradikale abDie gebildeten Alkylkationen gehen Kettenverkuumlrzungen unter Alkenverlust einDaneben treten Isomerisierungen aller Ionenspezies auf

mz 43- CH3

--

Benzylspaltung

+

- C4H9 - C2H2 26 u

mz 77 mz 51

+ +

- C3H7

In Alkylaromaten wird bevorzugt die benzylische Bindung gespalten Es treten die typischen Ionen mz 91 77 65 51 39 oder deren Homologeauf Das Ausmaszlig der Isomerisierung ist verschieden Diese Serie kann aber auch aus nichtaromatischen Ionen gebildet werden wenn die Summenformel C7H7 zustande kommt

- C2H2 26 u

+

+ + +

mz 91 mz 65

- C2H2 26 u

C3H3+

mz 39

+

Die Spaltung der phenylischen Bindung fuumlhrt zu den Ionen bei mz 77 51 Sie ist beiAlkylaromaten weniger bevorzugt

Benzoylverbindungen dagegen bilden durch αminusSpaltung zunaumlchstdas Benzoylkation das unter CO-Verlust zu mz 77 51 weiterfragmentiert

O

R ++

mz 51mz 77

- C2H2 26 u

+

- R

α

+O

- CO 28 u

mz 105

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McLafferty-Umlagerung (ββββ-Spaltung mit γγγγ-H-Transfer)

OH R+

ORH+

15-H OH R+

+

In Molekuumllionen mit C=X-Doppelbindung tritt McLafferty-Umlagerung auf wenn ein γ-H-Atomuumlber die Sechsringkonformation auf X uumlbertragen werden kann Es tritt Alkenverlust aufMan kann die Umlagerung auch konzertiert formulieren

a)

b)

N

H R

+15-H-

N

R+

NR

++

In closed-shell Ionen wird ein analoger Prozeszlig beobachtet Onium-Ionen eliminieren einAlken-Molekuumll unter Bildung eines neuen Onium-Ions

c)

H

R + R

HH

+ HH

+

mz 92

+

R

Alkylaromaten bilden neben der Benzylspaltung mz 92oder Homologe durch McLafferty-Umlagerung DasIon mz 92 ist ein Isomer des Toluol-Molekuumllions

15-H

Eine andere Moumlglichkeit ein Alken aus dem Molekuumllion zu eliminieren ist die

AB

+

A B++

+BAA

B

+

+

Molekuumllionen und closed-shellIonen mit einem Sechsringsystemdas eine Doppelbindung enthaumlltgehen RDA ein Die Dien-Komponentetraumlgt bevorzugt die LadungEs koumlnnen Heteroatome enthalten sein

Retro-Diels-Alder-Reaktion RDA

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R

++N

R

H

Onium-Reaktion

+ HN

Onium-Ionen zeigen Alkenverluste unter Abspaltung des gesamten AlkylrestesDas uumlbertragene H kann aus der ganzen Kette stammen Der Mechanismus isteigentlich komplizierter es treten intermediaumlr Ion-Molekuumll-Komplexe aufWegen der Delokalisierung der Ladung sind sowohl die C=X+-R als auch die R-C+-X-Bindung moumlgliche Positionen fuumlr die Onium-Rkt

a)

c)

OR

+OH+

+R

OR+

+

Vor allem Oxonium-Ionen zeigen neben Alkenverlust auch Aldehydverlust da die Differenz der Protonenaffinitaumlten von Aldehyd und Carbenium-Ion relativ gering istBei genuumlgender innerer Energie gehen alle Onium-Ionen beide Reaktionen ein

b)

NH2R+

+NH2R

R NH2++

OH +O

H

H

+

CO-Verlust aus Phenolen

- CO

mz 9428 u

mz 66

+

+

mz 65

- H

CO-Verlust tritt auszligerdem bei anderen ungesaumlttigten cyclischen Ketonen und beiAcylium-Ionen auf CO-Verlust kann eine thermische Rkt vor der Ionisation sein

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ortho-Effekt oder Retro-14-Addition

OMe

H

O

4

1

+ O+

- MeOH

Bei ortho-substituierten Benzol- und bei 18-substituierten Naphthalinderivatenkoumlnnen Fragmentierungen auftreten die nur durch Wechselwirkung beider Sub-stituenten moumlglich werden Dazu gehoumlren auch OH-Verluste aus Nitroaromaten

Referenzspektren

Anhand von Referenzspektren lassen sich gut substanzklassenspezifische Charakteristikaerkennen Deshalb kommt Spektrenbibliotheken eine groumlszligere Bedeutung als nur die direkteIdentifizierung einer unbekannten Verbindung zu

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NISTEPANIH Mass Spectral Data Base 1998

Tabellen charakteristischer Fragmentionen und MassendifferenzenZur Beachtung

Diese Tabellen sind mit Vorsicht zu genieszligen Es gibt sicher noch viele andere isobareFragmentionen und Massendifferenzen Auszligerdem laumlszligt man sich all zu leicht auf einenbestimmten Interpretationsansatz festlegen

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

30 Amine primaumlre Amine falls

intensiver als homologe

Iminium-Ionen

NH2+

30 Nitroverbindungen NO+

31 Alkohole Ether Acetale wenn intensivstes der

Oxonium-Ionen prim

Alkohol

OH+

32 Sauerstoff meist Untergrund [O2]+

32 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [S]+

33 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [HS]+

34 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [H2S]+

35 Chlorverbindungen plus Isotop 37Cl [Cl]+

36 Chlorverbindungen HCl plus Isotop 37Cl [HCl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 5: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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Identifizierung des MolpeaksNicht immer handelt es sich beim massenhoumlchsten Signal im Spektrum um den MolpeakManche Molekuumllionen fragmentieren schon bei geringer innerer Energie sehr schnell ZurIdentifizierung des Molpeaks kann daher ein Spektrum bei niedriger Primaumlrelektronenenergiehelfen Diese wird in einem Energiebereich in der Naumlhe der IE gewaumlhlt Bei organischenMolekuumllen sind das ca 7ndash15 eV Man erhaumllt Molekuumllionen die kaum noch fragmentierenkoumlnnen so daszlig der Molpeak relativ intensiver auftritt als die Fragmentionenpeaks Insgesamtwird die Intensitaumlt der Ionen bei niedriger Elektronenenergie erheblich herabgesetzt wie sichaus der Kurve der Ionisationsausbeute ablesen laumlszligt Liefert ein Molekuumll bei 70 eVElektronenenergie keinen Molpeak so kann oft auch bei 15 eV kein Signal gefunden werdenDeshalb weicht man besser auf die sog sanften Ionisationsmethoden aus

Abb 5 Verteilung der Ionenausbeute als Funktion der Primaumlrelektronenenergie Bei 70 eV liegt ein Plateau hierist die Ionenausbeute fuumlr alle Substanzen vergleichbar und optimal Daher benutzt man 70 eV bei der Aufnahmevon Routine-EI-Spektren (Schroumlder 1991)

Abb 6 EI-Spektren von Ethylacetat bei a) 14 eV b) 20 eV und c) 60 eV Mit zunehmender Elektronenenergienimmt die rel Int von M+ stark ab Ein Vergleich mit der Kurve der Ionenausbeute zeigt aber daszlig die absoluteIntensitaumlt von M+ allenfalls gleich bleibt diese ist jedoch entscheidend fuumlr die Detektion eines Signals(Chapman 1993)

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Funktion eines MassenspektrometersIonenquelleDie Funktion der Ionenquelle besteht darin aus dem Analyten isolierte Ionen in der Gasphasezu erzeugen und diese zum Analysator hin zu beschleunigen Je nach Analysatortyp undIonisationsmethode koumlnnen die Anforderungen an diese Baugruppe stark variieren

Im Falle der EI-Ionenquelle verdampft die Substanz entweder aus einem beheizbaren Tiegeloder aus einen Referenzeinlaszligsystem in das vom Elektronenstrahl durchquerteIonisationsvolumen Im Schnittpunkt der beiden Strahlen findet die Ionisation statt DieIonisationswahrscheinlichkeit liegt bei nur 10-3ndash10-5 trotzdem ist EI eine Technik mit extremniedriger Nachweisgrenze Nicht ionisierte oder durch Wandstoumlszlige neutralisierte Teilchenwerden von einem leistungsstarken Vakuumsystem abgepumpt Bei lt 10-6 mbar sind dieIonen isoliert in der Gasphase Der Repeller verbessert die Extraktion der Ionen aus derIonenquelle Die Beschleunigungsspannung U liegt zur Fokussierung des Ionenstrahls in denAnalysator verteilt uumlber mehrere Blenden an

Abb 7 Schema einer typischen EI-Ionenquelle Der neutrale Molekularstrahl tritt senkrecht zur Papierebene indie Quelle ein (Schroumlder 1991)

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den AnalysatorAlle im Ionisationsvolumen der Ionenquelle erzeugten Ionen durchlaufen ein Potentialgefaumllledie Beschleunigungsspannung U das variabel gewaumlhlt werden kann Typische Werte sind 1bis 10 kV Daher treten die Ionen der Masse m und der Ladung q = ze mit hoher kinetischerEnergie in den Analysator ein Fuumlr einfach geladene Ionen gilt q = e und damit

e U = 12

m v2 = Ekin

Bei konstanter Spannung U besitzen alle einfach geladenen Ionen unabhaumlngig von ihrer Massegleiche kinetische Energie Es ist ohne Einfluszlig ob es sich um Molekuumllionen oderFragmentionen handelt solange sie vor dem Eintritt in das Beschleunigungsfeld gebildetwurden Die Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator betraumlgt

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v = 2eUm

Laumlszligt man die Einheiten beiseite kann man eine Schnellformel daraus erhalten

mzU 13900= v

Offenbar haumlngt die Geschwindigkeit der Ionen bei gegebener Beschleunigungsspannung vonder Masse der Ionen ab Laumlszligt sich das ausnutzen

Analysator

Generell werden Massenspektrometer nach ihrem Analysator bezeichnet d h nach denverschiedenen Methoden zur Ionentrennung nach mz

Sektorfeldgeraumlte (B BE EB EBE EBEB BEBE)Magnetische (B) und elektrische (E) Sektorfelder senkrecht zur Flugrichtung der Ionen

Quadrupolgeraumlte (Q QqQ)Uumlberlagerung zeitlich konstanter und hochfrequenter elektrischer Quadrupolfelder in linearenQuadrupolen (Q Massentrennung q nur fokussierende Wirkung)

Quadrupol-Ionenfallen (Trap IT Quistor)Uumlberlagerung zeitlich konstanter und hochfrequenter elektrischer Quadrupolfelder in einerPaul-Falle Erlaubt Speicherung der Ionen

Ionencyclotronresonanzgeraumlte (ICR)Elektrische Anregung in sehr starkem Magnetfeld (3-7 T) und Bestimmung derCyclotronresonanzfrequenz Erlaubt Speicherung der Ionen

Flugzeitgeraumlte (TOF)Bestimmung der Flugzeit (time-of-flight) der Ionen Benoumltigt eine gepulste Ionenquelle

Hybridgeraumlte (BEqQ BEtrap EBE-TOF)Kombination verschiedener Analysatoren fuumlr MSMS billiger als Multi-Sektorfeld

Der Analysator im SektorfeldmassenspektrometerIn einem doppelfokussierenden Sektorfeldmassenspektrometer werden die Ionen durch eineAnordnung aus einem homogenen Magnetfeld (B-Sektor) und einem zylindrischenelektrischen Feld (E-Sektor electrostatic analyzer ESA) nach mz getrennt Man unterscheidetBE- und EB-Geometrie Der Analysator ist zur Ionenquelle durch den Eintrittsspalt (sourceslit entrance slit object slit) zum Detektor durch den Austrittsspalt (collector slit image slit)begrenzt

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Abb 8 Das VG ZAB-2F und das neuere Jeol JMS-700 des Organisch-Chemischen Instituts sind typische BE-Sektorfeldgeraumlte Die Abbildung zeigt das Schema des ZAB-2F

Flugbahn im homogenen MagnetfeldDie Feldlinien des magnetischen Sektorfeldes mit der Feldstaumlrke B stehen senkrecht zurBewegungsrichtung der Ionen Als Folge der Lorentz-Kraft laufen die Ionen auf einer Kreis-bahn deren Radius rm durch Gleichheit von Lorentz-Kraft und Zentrifugalkraft bestimmt istFuumlr einfach geladene Ionen gilt und senkrechten Eintritt ins Magnetfeld laumlszligt sich vereinfachtdie skalare Beziehung schreiben

e Bv = m vr

r = mvB e

2

m

m

Der Bahnradius im B-Sektor ist also dem Impuls p = m v der Teilchen proportionalUmformen nach me liefert

me

r Bv

m=

Nach Einsetzen von v erhaumllt man

me

r B meU

=2

und darausme

= r B 2U

m2 2

Diese Gleichung ist auch als massenspektrometrische Grundgleichung bekannt Wegen derVielzahl von in der MS-Praxis genutzten Analysatortypen gibt es aber eigentlich nicht mehrnur eine Grundgleichung

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Flugbahn im elektrischen FeldIm elektrischen Feld der Feldstaumlrke E fliegen die Ionen auf einer Kreisbahn deren Radiusbestimmt wird durch die Beziehung

e E = mvr

r = m ve E

r = 2UE

2

e

e 2

e

Das elektrische Feld wirkt als Energiefilter Da es die Energieunschaumlrfe der Ionen eliminiertwird die erreichbare Massenaufloumlsung eines doppelfokussierenden Sektorfeldgeraumltesgegenuumlber einem reinen B-Sektorfeldgeraumlt um ein Vielfaches erhoumlht

AufloumlsungsvermoumlgenAls Massenaufloumlsung oder Aufloumlsungsvermoumlgen R (resolution) definiert man R = M∆MDabei kann ∆M von Peaktop zu Peaktop durch die Peakbreite bei 10 Houmlhe (10 Tal-Definition seltener bei 5 Houmlhe) oder bei 50 Houmlhe (Full width at half maximum FWHM)gemessen werden Es gilt 18R10 = RFWHM Durch Variation der Spaltweiten laumlszligt sich dieAufloumlsung eines guten Sektorfeldgeraumltes im Bereich von ca 500ndash50000 variieren SteigendeAufloumlsung verringert allerdings betraumlchtlich die Transmission

Abb 9 Die verschiedenen Definitionen der Aufloumlsung in der MS

Metastabile Ionen und Stoszligaktivierungs-MSInstabile IonenDie meisten Molekuumllionen zerfallen schon 10-12ndash10-6 s nach der Ionisation als Folge ihrerhohen inneren Energie Da die Verweilzeit im Ionisationsvolumen etwa 10-6 s betraumlgt werdennur noch deren Zerfallsprodukte in das Beschleunigungsfeld eintreten und schlieszliglich

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detektiert werden Ionen mit einer Lebensdauer lt 10-6 s werden in der MS deshalb alsinstabile Ionen bezeichnet

Stabile IonenMolekuumllionen mit geringer innerer Energie koumlnnen keine Zerfallsschwelle uumlberwinden Wennsie in einem Potentialminimum existieren sind sie unter den Bedingungen des Massen-spektrometers (bei lt 10-6 mbar isoliert in der Gasphase) stabil

Metastabile IonenNicht alle die Ionenquelle verlassenden Ionen uumlberleben die Flugzeit bis zum Detektormanche zerfallen im Transit Diese Ionen werden als metastabile Ionen bezeichnet Man kanndefinieren metastabile Ionen haben eine Lebensdauer in der Groumlszligenordnung von 10ndash6ndash10ndash5 s

Scantechnik beim SektorfeldgeraumltDa der Radius des B-Sektors und Ekin der Ionen festgelegt sind variiert man zur Aufnahmevon Massenspektren der in der Ionenquelle gebildeten Ionen die magnetische Feldstaumlrke Bsog B-Scan oder M-Scan Uumlblich sind Scanraten von 1ndash10 sDecade z B mz 50ndash500 in 5 sbei 5 sDecade Eine andere Methode ist die proportionale Variation von Beschleunigungs-spannung und ESA-Spannung sog E-Scan oder HV-Scan Wegen der damit verbundenenDefokussierung der Ionenquelle kann nur ein kleinerer Massenbereich ca 50 des amMagneten eingestellten mz-Wertes abgedeckt werden

Zerfaumlllt ein metastabiles Ion der Masse m1 d h nachdem es die volle Beschleunigungs-spannung durchlaufen hat in einer feldfreien Region (FFR) vor dem B-Sektor in eingeladenes Bruchstuumlck der Masse m2 und ein ungeladenes der Masse n = (m1-m2) dann fliegendie Produkte m2 und n mit der unveraumlnderten Geschwindigkeit v1 = v2 weiter

v = 2eUm

11

Der Bahnradius r2 des geladenen Bruchstuumlckes m2 beim Durchfliegen des B-Sektors ist

= me B

2 1r2v

Nach Einsetzen von v1 erhaumllt man

r2 22

1 = 1

B 2 m U

m eDas Bruchstuumlck der Masse m2 wird demnach bei einer effektiven Massenzahl

m = m22 m1

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im Massenspektrum registriert sofern es sich um ein B- oder EB-Geraumlt handelt BE-Geraumltezeigen keine metastabilen Ionen im Spektrum da diese wegen ihrer verringerten kinetischenEnergie nicht den E-Sektor passieren koumlnnenDie Untersuchung metastabiler Ionen ist eine wichtige Methode in der Chemie isolierter Ionenin der Gasphase Deshalb wurde eine Vielzahl von Scantechniken fuumlr Sektorfeldmassen-spektrometer entwickelt die es erlauben die Zerfaumllle metastabiler Ionen in einer FFR vor demB-Sektor oder auch vor dem E-Sektor zu registrieren Daraus lassen sich Informationen uumlberintrinsische Eigenschaften der Ionen und uumlber Zerfallsmechanismen gewinnen Auch fuumlrlineare Quadrupol- Quadrupol-Ionenfallen- ICR- und TOF-Massenspektrometer gibt esTechniken zur Untersuchung isolierter Ionen auf die hier aber nicht naumlher eingegangenwerden kann Generell bezeichnet man diese Techniken als Tandem-MS MSMS oder MSnda inzwischen auch mehrstufige MS-Experimente realisiert werden koumlnnenBeim Einsatz der sanften Ionisationsmethoden werden nahezu ausschlieszliglich stabileMolekuumllionen erzeugt Um dennoch Strukturinformation zu erhalten kann man dieFragmentierung durch Stoszligaktivierung (collisionally induced dissociation CID collisionalactivation CA) erzwingen Dazu wird der Ionenstrahl durch eine Stoszligkammer mit einemneutralen Stoszliggas (He Ar N2) geschickt Die Umgebung der Stoszligkammer wird durch dasdifferentielle Pumpsystem unter Hochvakuum gehalten Bei den hochenergetischen Stoumlszligenmit den Gasatomen werden die Ionen aumlhnlich angeregt wie bei der EI-Ionisation DieFragmentionen werden dann mittels Tandem-MS analysiert

Detektor

Der einfachste Detektor ist ein Faraday cup ein kleiner Metallbecher der die Ionen sammeltund sich dabei elektrisch auflaumldt Die Ladung flieszligt uumlber einen Widerstand von 10ndash100 MΩab uumlber den der Spannungsabfall gemessen und nach Verstaumlrkung registriert wird DiesesSystem wird nur noch in der Isotopen-MS eingesetzt

Heute werden oft Sekundaumlrelektronen-Vervielfacher (SEV secondary electron multiplierSEM) benutzt Der Ionenstrahl trifft auf eine Konversionsdynode aus einemHalbleitermaterial dadurch werden Elektronen freigesetzt die auf die naumlchste Dynode hinbeschleunigt werden Uumlber 14ndash17 Stufen uumlber die insgesamt 1ndash3 kV anliegen wird so eineVerstaumlrkungskaskade ausgeloumlst (Faktor 106ndash108) Der Strom wird verstaumlrkt und in einSpannungssignal umgewandelt

Anstelle einzelner Dynoden kann man eine kontinuierliche Bauart des SEV verwenden dasChanneltron Das Channeltron ist ein kleines gebogenes Houmlrnchen uumlber das vom Eintritt biszum Ende 1ndash3 kV angelegt werden

Schneidet man ein Buumlndel tausender zusammengesinterter Glaskapillaren mit entsprechenderBeschichtung der Innenwaumlnde in duumlnne Scheiben entsteht eine Anordnung bei der jeder

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dieser feinen Kanaumlle wie ein kleines Channeltron wirkt Dies ist eine sog Microchannel plate(MCP ca 2ndash5 cm Durchmesser) Die groszlige Oberflaumlche erlaubt eine sehr empfindlicheDetektion eintreffender Ionen uumlber einen groszligen Raumwinkel (vorteilhaft bei TOF-MS)

Anstatt das Signal der gesamten MCP zusammenzufassen kann man es auch ortsaufgeloumlstregistrieren Solch ein Array-Detektor kann simultan einen bestimmten Massenbereich ( ca5ndash10 des eingestellten mz eines Sektorfeldgeraumlts) in 512ndash2048 Kanaumlle detektieren und soeine im Vergleich zum SEV 100-fach houmlhere Empfindlichkeit erreichen

DatensystemDie Leistungsfaumlhigkeit moderner Massenspektrometer wird zu einem nicht unerheblichen Teildurch das zur Meszligdatenerfassung und -auswertung verwendete Datensystem bestimmt Auchdie Geraumltesteuerung wird bei modernen Systemen ausschlieszliglich uumlber den Rechner ab-gewickelt Gute Software kann einen gewaltigen Beitrag zu Probendurchsatz undQualitaumltssicherung beisteuern (Leider fuumlhren fully automated and easy to use-Geraumlte nichtselten zu einem gewissen Dilettantismus in der MS)

Grundlagen der Spektreninterpretation

Isotopie der ElementeDie meisten Elemente sind keine Reinelemente d h sie kommen nicht monoisotopisch vorMan kann grob folgende massenspektrometrisch relevante Gruppen einteilen (fuumlr die uumlbrigenElemente sei auf die gaumlngige MS-Literatur verwiesen)

1 Reinelemente wie 19F 31P 127I oder 133Cs

2 Elemente mit einem Hauptisotop und ein oder zwei Begleitisotopen von sehr geringerHaumlufigkeit (lt 03 ) Dazu gehoumlren 1H 14N 16O Fuumlr die meisten Zwecke lassen sie sich wiedie Reinelemente beruumlcksichtigen

3 Elemente mit einem Hauptisotop und ein oder zwei Begleitisotopen von geringerHaumlufigkeit (lt 5 ) Dazu gehoumlren 12C 28Si und 32S

4 Elemente die mit zwei Isotopen vergleichbarer Haumlufigkeit auftreten wie 10B 11B oder dieHalogene 35Cl 37Cl und 79Br 81Br

5 Elemente mit mehreren Isotopen und relativ gleichmaumlszligiger Verteilung wie Hg Sn Ru etc

Information aus den IsotopenpeaksDie Haumlufigkeit der Molekuumlle die ein Molgewicht haben das 1 2 3 oder mehr Massen-einheiten uumlber dem Molgewicht des monoisotopischen Molekuumlls liegt haumlngt ab von derAnzahl der vorhandenen Atome und von der relativen Haumlufigkeit der Isotope in denbeteiligten Elementen

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Element M M+1 M+2Masse Masse Masse

H 1 100 2 0015 - -B 10 248 11 100 - -C 12 100 13 11 - -N 14 100 15 037 - -O 16 100 17 004 18 020F 19 100 - - - -Si 28 100 29 51 30 34P 31 100 - - - -S 32 100 33 08 34 44Cl 35 100 - - 37 320Br 79 100 - - 81 980I 127 100 - - - -

Tabelle 1 Isotopenverteilung einiger Elemente normiert auf das haumlufigste Isotop Es wurden nur die in der MSrelevanten Isotope der Elemente aufgefuumlhrt

Der 13C-PeakZwar hat jedes C-Atom nur zu 11 die Chance als 13C aufzutreten doch beim Kohlenstoffist 13C relevant da oft eine groszlige Zahl von C-Atomen in einem Molekuumll vorkommt ImMethan betraumlgt die Intensitaumlt des M+1 Peaks bei mz 17 daher etwa 11 der Intensitaumlt desPeaks bei mz 16 im Hexan hat M+1 mz 73 ca 66 der Intensitaumlt von mz 72

M+1 M+2 M+1 M+2 M+3C1 11 0 C20 22 23 02C2 22 001 C30 33 52 05C4 44 007 C40 44 94 13C6 66 018 C50 55 15 15

C10 110 054 C60 66 21 46C14 154 11 C100 110 60 22

Tabelle 2 Beitraumlge zum M+1 M+2 und M+3 Signal in rel des monoisotopischen Signals durch 13C-Anteil inCn-Verbindungen

M+2 ElementeBei Elementen die hauptsaumlchlich ein schweres Isotop in groumlszligerer Haumlufigkeit enthalten wieSchwefel Silicium Chlor und Brom kann die Isotopenverteilung nach folgendem verein-fachten Ausdruck berechnet werden

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(a + b)n

a ist die relative Haumlufigkeit des leichten Isotopsb ist die relative Haumlufigkeit des schweren Isotopsn ist die Anzahl der Atome des betrachteten Elements im Molekuumll

Si und S zeigen kleine aber deutliche Isotopenpeaks die einen Ruumlckschluszlig auf dasVorhandensein dieser Elemente erlauben Bei Cl und Br schlieszliglich machen die Isotopenpeaksderen Anwesenheit unverkennbarBesonders bei Si und S koumlnnen Uumlberlagerungen mit dem 13C- oder anderen Mustern leichtzum Verwischen fuumlhren Man beachte auszligerdem daszlig die Halogene M M+2 M+4 M+6liefern waumlhrend der Abstand bei Si und S nur 1 u betraumlgt In allen Faumlllen muszlig x (Abb 10)mindestens der Masse der Elementkombination entsprechen z B x = 70 bei Cl2 sonst kannes sich nicht um ein Isotopenmuster handeln

Si Si2 Si3

x +2 x +2 x +2

5134

1071

1511

x +2 x +2

S S2

44 88

Abb 10 Die wichtigsten Isotopenmuster der organischen MS Hier sind die Muster der jeweiligen Elemente sogezeigt wie sie sich ohne Uumlberlagerung mit dem Isotopenmuster des Kohlenstoffs ergeben

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exakteIsotopenmasse

relativeHaumlufigkeit

Massen-uumlberschuszlig

relativeAtommasse

Isotop Nominal-masse

amu mmu amu

1H 1 1007825 99985 782 100792H 2 2014102 0015 141010B 10 10012938 199 1294 1081111B 11 11009305 801 93012C 12 12000000 9890 0 1201113C 13 13003355 110 33514N 14 14003074 99634 307 14006715N 15 15000109 0366 01116O 16 15994915 99762 -508 15999417O 16 16999131 0038 -08618O 18 17999159 0200 -08419F 19 18998403 1000 -159 189984

23Na 23 22989770 1000 -1023 22989828Si 28 27976928 9223 -2307 28085529Si 29 28976496 467 -235030Si 30 29973772 310 -262331P 31 30973763 1000 -2623 30973832S 32 31972072 9502 -2792 3206633S 33 32971459 075 -285434S 34 33967868 421 -3213

35Cl 35 34968853 7577 -3114 35452737Cl 37 36965903 2423 -341039K 39 38963708 932581 -3629 39098340K 40 39963999 00117 -360041K 41 40961825 67302 -381879Br 79 78918336 5069 -8165 7990481Br 81 80916290 4931 -8365127J 127 126904477 1000 -9564 1269044

Tabelle 3 Isotopenhaumlufigkeit exakte Isotopenmassen und relative chemische Atommassen einiger Elemente

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Hochaufloumlsende Massenspektrometrie und exakte Masse

Die relativen Atommassen sind nach IUPAC auf Kohlenstoff bezogen Genauer eineatomare Masseneinheit equiv 1 u equiv 112 der Masse des Kohlenstoffisotops 12C Neben u sind auchdie Bezeichnungen amu (atomic mass unit) und Da (Dalton) in Gebrauch(Die Definition vor 1961 war 1 Masseneinheit ME equiv 116 der Masse Sauerstoffisotops 16ODamit ergeben sich geringfuumlgig andere Atommassen Man muszlig deshalb auf das Erscheinungs-jahr von Massentabellen achten)

MassendefektDie Differenz von exakter Masse zu Nominalmasse wird als Massendefekt (mass deficiency)bzw Massenuumlberschuszlig bezeichnet Alkane und Alkylionen besitzen wegen ihres hohen 1H-Gehalts den groumlszligten Massenuumlberschuszlig dann folgen Amide und Peptide Polyether undPolyalkohole wie Oligosaccharide Kohlenstoff als 12C hat definitionsgemaumlszlig keinenMassendefekt Massendefekte werden oft in halogenierten Verbindungen und generell beimVorliegen von Schweratomen beobachtet Bereits ab mz 500 kann man mit Nominalmassen(H 1 u C 12 u O 16 u ) schon deutlich falsch liegen Das Molkuumllion von C36H74 mz5065790 ist nominal noch mz 506 wuumlrde aber von einem Datensystem ggf zu mz 507aufgerundet Deshalb ist auch bei Verwendung der Nominalmasse eine Dezimalstelleangebracht z B mz 5066

-04-02

002040608

112141618

222242628

3

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

nominale Molmasse (amu)

Mas

send

efek

t (am

u) KohlenstoffNylon-66PEGPTFEPVCPE

Abb 11 Zu bestimmten Gruppen von Summenformeln gehoumlren charakteristische MassendefekteIm Falle von elementarem Kohlenstoff zB bei Fullerenen ist der Wert immer 0 amu Typischeorganische Verbindungen dagegen zeigen Werte von 05-10 amu pro 1000 amu TretenUumlbergangsmetalle oder Halogene auf ist der Wert deutlich verringert und kann sogar unter dieNominalmasse fallen zB bei PFK

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Bestimmung der SummenformelMit doppelfokussierenden Magnetsektorfeldgeraumlten sind Massenaufloumlsungen uumlber 10000 zuerreichen (high resolution HR) So lassen sich Gemische isotopomerer Ionen gleicherNominalmasse wegen ihrer unterschiedlichen exakten Massen trennen und den isotopischenZusammensetzungen zuordnen vorausgesetzt es gelingt eine Zuordnung der Peaks zu einerexakten Masse Dazu verwendet man eine Kalibriersubstanz mit Signalen bekannter exakterMassen als interne Standardisierung der Massenskala Perfluorkerosin (PFK) und andereperfluorierte Verbindungen werden fuumlr die externe Kalibrierung und auch als internerMassenstandard in der EI-HR-MS eingesetzt da sie Ionen mit deutlichem Massendefektbilden die normalerweise leicht von den zu untersuchenden Ionen getrennt werden Ohneinternen Standard waumlre z B bei Auftreten von nur einem der beiden Signale nicht zwischen40Ar+ mz 399624 und C3H4+ mz 400313 zu unterscheiden Demnach werden durchHR-MS Ionenmassen abgesichert und auch zwischen nominal isobaren Eliminierungen z Bvon N2 CO undoder C2H4 kann man klar differenzieren

Mit zunehmender Molmasse kommen jedoch viele Summenformeln in einem experimentellenFehlerbereich von 2ndash5 mmu (milli u) in Frage Bei mz 500 entsprechen 5 mmu einer relativenAbweichung von 10 ppm bei mz 2000 aber nur noch 25 ppm Die Auswahl anSummenformeln im Fehlerintervall wird allerdings oft durch ergaumlnzende Informationeneingeengt Solche Limitierungen ergeben sich aus der Herkunft der Probe (z B nur C H13N und lt 4 O) oder aus dem Isotopenmuster des Molekuumllions (zB 1 Br kein S)

In der Massenspektrometrie kommt der Bestimmung der Summenformel einer unbekanntenSubstanz eine zentrale Bedeutung zu Zwar lassen sich oft schon weitgehende Ruumlckschluumlsseaus dem Isotopenmuster des Molekuumllions ziehen doch eine exakte Massenmessung stellt dieverlaumlszliglichere Information dar da ggf eine Uumlberlagerung des 13C Peaks mit einem [M+H]+

Peak unbekannter Intensitaumlt das Isotopenmuster verfaumllschen Auszligerdem haumlngt der 13C-Gehaltvon der Herkunft der Probe ab was die Bestimmung der Anzahl C-Atome aus dem M+1 Peaklimitiert

Herkunft des Kohlenstoffs 13C

atmosphaumlrisches CO2 1106C3-Pflanzen 1080C4-Pflanzen 1095fossile Stoffe 106-108

Tabelle 4 13C-Gehalt von Kohlenstoff in Abhaumlngigkeit von seiner Herkunft Generell ist der Gehalt derschwereren Isotope in aumlquatorialen Breiten houmlher als in polnahen Regionen

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Ringe plus Doppelbindungen

Wegen der jeweils eigenen Anzahl Valenzen der Elemente berechnet sich die Summe derRinge plus Doppelbindungen r + d (auch Doppelbindungsaumlquivalente DBAuml unsaturationUS) fuumlr ein Molekuumllion der Formel CcHhNnOo nach der Gleichung

r + d = c - 05 h + 05 n + 1Wendet man die Formel auf Pyridin C5H5N an so ergibt sich

r + d = 5 - 05bull5 + 05bull1 + 1 = 5 - 25 + 05 + 1 = 4

Bei Fragmentionen kann der berechnete Wert von r + d auch 05 15 betragen Um denkorrekten Wert zu erhalten rundet man auf die ganze Zahl ab Fuumlr das BenzoylkationC7H5O+ erhaumllt man

r + d = 7 - 05bull5 + 1 = 55

was als r + d = 5 zu interpretieren ist Die Aussage ist dann korrekt wenn man die Fragment-ionen als Carbeniumionen schreibt

O O+

+N N+ +

Treten andere Elemente auf so werden sie nach der Zahl ihrer Valenzen beruumlcksichtigt Sizaumlhlt zu C P zu N S zu O Hal zu H Wenn Elemente houmlhere Valenzen erreichen als in derFormel angenommen werden falsche Werte fuumlr r + d errechnet z B bei SulfoxidenSulfonen Phosphaten Fuumlr jeweils zwei Valenzen mehr als oben angenommen muumlszligte man dieFormel um +1 ergaumlnzen z B Phosphorsaumluretrimethylester C3H9O3P mit 5- statt 3-bindigemPhosphor

r + d = 3 - 45 + 05 + 2 = 1

Man erhaumllt durch diese Rechnung eine Limitierung der Anzahl Strukturvorschlaumlge zu einerSummenformel

Fragmentierungsreaktionen

Ein nicht unwesentlicher Teil der Interpretation von Massenspektren laumlszligt sich durchAnwendung von Zerfallsschemata erreichen Dazu muszlig man die wichtigsten Frag-mentierungsreaktionen verschiedener Ionenspezies kennen Nicht jeder Peak laumlszligt sich sovernuumlnftig erklaumlren Viele Reaktionen sind spezifisch fuumlr eine kleine Gruppe von Ionen ImZweifel ist die Fachliteratur zu Rate zu ziehen Fuumlr die im Kurs abgedeckten Substanzklassenist der Umfang nachfolgender Zusammenstellung ausreichend

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Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen

αααα-Spaltung aktivierter Bindungen

R

O+

α1

α2

RO+

+

O+

R +

α1

α2

Bildung der thermodynamischstabileren Produktpaarung ausIon und Radikal ist bevorzugt

Es wird eine zum Heteroatom α-staumlndigeBindung homolytischgespalten

O+

α

α O+

+ CH3 Das Heteroatom kann

exostaumlndig oder Teileiner Kette sein

O+

H

O+

H

O+

α 15-Hα

O+

+

In alicyclischen Systemen tritt doppelte α-Spaltung unter Umlagerung uumlber distonische Intermediate auf

Als Konkurrenzreaktionwird aber auch die andereProduktpaarung gebildet Deshalb findet man oft zurAbspaltung des Radikals nauch das korrespondierendeIon n+

+

+

R

O

OR

O+

α1

α2

R +

+

α1

α2

Allylspaltung

+

+

+

+

In Alkenen wird bevorzugt die allylische Bindung gespalten wobei das Allylkationgebildet wird

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Alkylspaltung und Olefinverlust aus Alkylkationen

+

+

C2H5

+

C3H7

+ +

- C2H4 28 u

Molekuumllionen mit Alkylketten spalten unselektiv entlang der Kette Alkylradikale abDie gebildeten Alkylkationen gehen Kettenverkuumlrzungen unter Alkenverlust einDaneben treten Isomerisierungen aller Ionenspezies auf

mz 43- CH3

--

Benzylspaltung

+

- C4H9 - C2H2 26 u

mz 77 mz 51

+ +

- C3H7

In Alkylaromaten wird bevorzugt die benzylische Bindung gespalten Es treten die typischen Ionen mz 91 77 65 51 39 oder deren Homologeauf Das Ausmaszlig der Isomerisierung ist verschieden Diese Serie kann aber auch aus nichtaromatischen Ionen gebildet werden wenn die Summenformel C7H7 zustande kommt

- C2H2 26 u

+

+ + +

mz 91 mz 65

- C2H2 26 u

C3H3+

mz 39

+

Die Spaltung der phenylischen Bindung fuumlhrt zu den Ionen bei mz 77 51 Sie ist beiAlkylaromaten weniger bevorzugt

Benzoylverbindungen dagegen bilden durch αminusSpaltung zunaumlchstdas Benzoylkation das unter CO-Verlust zu mz 77 51 weiterfragmentiert

O

R ++

mz 51mz 77

- C2H2 26 u

+

- R

α

+O

- CO 28 u

mz 105

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McLafferty-Umlagerung (ββββ-Spaltung mit γγγγ-H-Transfer)

OH R+

ORH+

15-H OH R+

+

In Molekuumllionen mit C=X-Doppelbindung tritt McLafferty-Umlagerung auf wenn ein γ-H-Atomuumlber die Sechsringkonformation auf X uumlbertragen werden kann Es tritt Alkenverlust aufMan kann die Umlagerung auch konzertiert formulieren

a)

b)

N

H R

+15-H-

N

R+

NR

++

In closed-shell Ionen wird ein analoger Prozeszlig beobachtet Onium-Ionen eliminieren einAlken-Molekuumll unter Bildung eines neuen Onium-Ions

c)

H

R + R

HH

+ HH

+

mz 92

+

R

Alkylaromaten bilden neben der Benzylspaltung mz 92oder Homologe durch McLafferty-Umlagerung DasIon mz 92 ist ein Isomer des Toluol-Molekuumllions

15-H

Eine andere Moumlglichkeit ein Alken aus dem Molekuumllion zu eliminieren ist die

AB

+

A B++

+BAA

B

+

+

Molekuumllionen und closed-shellIonen mit einem Sechsringsystemdas eine Doppelbindung enthaumlltgehen RDA ein Die Dien-Komponentetraumlgt bevorzugt die LadungEs koumlnnen Heteroatome enthalten sein

Retro-Diels-Alder-Reaktion RDA

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R

++N

R

H

Onium-Reaktion

+ HN

Onium-Ionen zeigen Alkenverluste unter Abspaltung des gesamten AlkylrestesDas uumlbertragene H kann aus der ganzen Kette stammen Der Mechanismus isteigentlich komplizierter es treten intermediaumlr Ion-Molekuumll-Komplexe aufWegen der Delokalisierung der Ladung sind sowohl die C=X+-R als auch die R-C+-X-Bindung moumlgliche Positionen fuumlr die Onium-Rkt

a)

c)

OR

+OH+

+R

OR+

+

Vor allem Oxonium-Ionen zeigen neben Alkenverlust auch Aldehydverlust da die Differenz der Protonenaffinitaumlten von Aldehyd und Carbenium-Ion relativ gering istBei genuumlgender innerer Energie gehen alle Onium-Ionen beide Reaktionen ein

b)

NH2R+

+NH2R

R NH2++

OH +O

H

H

+

CO-Verlust aus Phenolen

- CO

mz 9428 u

mz 66

+

+

mz 65

- H

CO-Verlust tritt auszligerdem bei anderen ungesaumlttigten cyclischen Ketonen und beiAcylium-Ionen auf CO-Verlust kann eine thermische Rkt vor der Ionisation sein

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ortho-Effekt oder Retro-14-Addition

OMe

H

O

4

1

+ O+

- MeOH

Bei ortho-substituierten Benzol- und bei 18-substituierten Naphthalinderivatenkoumlnnen Fragmentierungen auftreten die nur durch Wechselwirkung beider Sub-stituenten moumlglich werden Dazu gehoumlren auch OH-Verluste aus Nitroaromaten

Referenzspektren

Anhand von Referenzspektren lassen sich gut substanzklassenspezifische Charakteristikaerkennen Deshalb kommt Spektrenbibliotheken eine groumlszligere Bedeutung als nur die direkteIdentifizierung einer unbekannten Verbindung zu

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NISTEPANIH Mass Spectral Data Base 1998

Tabellen charakteristischer Fragmentionen und MassendifferenzenZur Beachtung

Diese Tabellen sind mit Vorsicht zu genieszligen Es gibt sicher noch viele andere isobareFragmentionen und Massendifferenzen Auszligerdem laumlszligt man sich all zu leicht auf einenbestimmten Interpretationsansatz festlegen

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

30 Amine primaumlre Amine falls

intensiver als homologe

Iminium-Ionen

NH2+

30 Nitroverbindungen NO+

31 Alkohole Ether Acetale wenn intensivstes der

Oxonium-Ionen prim

Alkohol

OH+

32 Sauerstoff meist Untergrund [O2]+

32 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [S]+

33 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [HS]+

34 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [H2S]+

35 Chlorverbindungen plus Isotop 37Cl [Cl]+

36 Chlorverbindungen HCl plus Isotop 37Cl [HCl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 6: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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Funktion eines MassenspektrometersIonenquelleDie Funktion der Ionenquelle besteht darin aus dem Analyten isolierte Ionen in der Gasphasezu erzeugen und diese zum Analysator hin zu beschleunigen Je nach Analysatortyp undIonisationsmethode koumlnnen die Anforderungen an diese Baugruppe stark variieren

Im Falle der EI-Ionenquelle verdampft die Substanz entweder aus einem beheizbaren Tiegeloder aus einen Referenzeinlaszligsystem in das vom Elektronenstrahl durchquerteIonisationsvolumen Im Schnittpunkt der beiden Strahlen findet die Ionisation statt DieIonisationswahrscheinlichkeit liegt bei nur 10-3ndash10-5 trotzdem ist EI eine Technik mit extremniedriger Nachweisgrenze Nicht ionisierte oder durch Wandstoumlszlige neutralisierte Teilchenwerden von einem leistungsstarken Vakuumsystem abgepumpt Bei lt 10-6 mbar sind dieIonen isoliert in der Gasphase Der Repeller verbessert die Extraktion der Ionen aus derIonenquelle Die Beschleunigungsspannung U liegt zur Fokussierung des Ionenstrahls in denAnalysator verteilt uumlber mehrere Blenden an

Abb 7 Schema einer typischen EI-Ionenquelle Der neutrale Molekularstrahl tritt senkrecht zur Papierebene indie Quelle ein (Schroumlder 1991)

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den AnalysatorAlle im Ionisationsvolumen der Ionenquelle erzeugten Ionen durchlaufen ein Potentialgefaumllledie Beschleunigungsspannung U das variabel gewaumlhlt werden kann Typische Werte sind 1bis 10 kV Daher treten die Ionen der Masse m und der Ladung q = ze mit hoher kinetischerEnergie in den Analysator ein Fuumlr einfach geladene Ionen gilt q = e und damit

e U = 12

m v2 = Ekin

Bei konstanter Spannung U besitzen alle einfach geladenen Ionen unabhaumlngig von ihrer Massegleiche kinetische Energie Es ist ohne Einfluszlig ob es sich um Molekuumllionen oderFragmentionen handelt solange sie vor dem Eintritt in das Beschleunigungsfeld gebildetwurden Die Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator betraumlgt

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v = 2eUm

Laumlszligt man die Einheiten beiseite kann man eine Schnellformel daraus erhalten

mzU 13900= v

Offenbar haumlngt die Geschwindigkeit der Ionen bei gegebener Beschleunigungsspannung vonder Masse der Ionen ab Laumlszligt sich das ausnutzen

Analysator

Generell werden Massenspektrometer nach ihrem Analysator bezeichnet d h nach denverschiedenen Methoden zur Ionentrennung nach mz

Sektorfeldgeraumlte (B BE EB EBE EBEB BEBE)Magnetische (B) und elektrische (E) Sektorfelder senkrecht zur Flugrichtung der Ionen

Quadrupolgeraumlte (Q QqQ)Uumlberlagerung zeitlich konstanter und hochfrequenter elektrischer Quadrupolfelder in linearenQuadrupolen (Q Massentrennung q nur fokussierende Wirkung)

Quadrupol-Ionenfallen (Trap IT Quistor)Uumlberlagerung zeitlich konstanter und hochfrequenter elektrischer Quadrupolfelder in einerPaul-Falle Erlaubt Speicherung der Ionen

Ionencyclotronresonanzgeraumlte (ICR)Elektrische Anregung in sehr starkem Magnetfeld (3-7 T) und Bestimmung derCyclotronresonanzfrequenz Erlaubt Speicherung der Ionen

Flugzeitgeraumlte (TOF)Bestimmung der Flugzeit (time-of-flight) der Ionen Benoumltigt eine gepulste Ionenquelle

Hybridgeraumlte (BEqQ BEtrap EBE-TOF)Kombination verschiedener Analysatoren fuumlr MSMS billiger als Multi-Sektorfeld

Der Analysator im SektorfeldmassenspektrometerIn einem doppelfokussierenden Sektorfeldmassenspektrometer werden die Ionen durch eineAnordnung aus einem homogenen Magnetfeld (B-Sektor) und einem zylindrischenelektrischen Feld (E-Sektor electrostatic analyzer ESA) nach mz getrennt Man unterscheidetBE- und EB-Geometrie Der Analysator ist zur Ionenquelle durch den Eintrittsspalt (sourceslit entrance slit object slit) zum Detektor durch den Austrittsspalt (collector slit image slit)begrenzt

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Abb 8 Das VG ZAB-2F und das neuere Jeol JMS-700 des Organisch-Chemischen Instituts sind typische BE-Sektorfeldgeraumlte Die Abbildung zeigt das Schema des ZAB-2F

Flugbahn im homogenen MagnetfeldDie Feldlinien des magnetischen Sektorfeldes mit der Feldstaumlrke B stehen senkrecht zurBewegungsrichtung der Ionen Als Folge der Lorentz-Kraft laufen die Ionen auf einer Kreis-bahn deren Radius rm durch Gleichheit von Lorentz-Kraft und Zentrifugalkraft bestimmt istFuumlr einfach geladene Ionen gilt und senkrechten Eintritt ins Magnetfeld laumlszligt sich vereinfachtdie skalare Beziehung schreiben

e Bv = m vr

r = mvB e

2

m

m

Der Bahnradius im B-Sektor ist also dem Impuls p = m v der Teilchen proportionalUmformen nach me liefert

me

r Bv

m=

Nach Einsetzen von v erhaumllt man

me

r B meU

=2

und darausme

= r B 2U

m2 2

Diese Gleichung ist auch als massenspektrometrische Grundgleichung bekannt Wegen derVielzahl von in der MS-Praxis genutzten Analysatortypen gibt es aber eigentlich nicht mehrnur eine Grundgleichung

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Flugbahn im elektrischen FeldIm elektrischen Feld der Feldstaumlrke E fliegen die Ionen auf einer Kreisbahn deren Radiusbestimmt wird durch die Beziehung

e E = mvr

r = m ve E

r = 2UE

2

e

e 2

e

Das elektrische Feld wirkt als Energiefilter Da es die Energieunschaumlrfe der Ionen eliminiertwird die erreichbare Massenaufloumlsung eines doppelfokussierenden Sektorfeldgeraumltesgegenuumlber einem reinen B-Sektorfeldgeraumlt um ein Vielfaches erhoumlht

AufloumlsungsvermoumlgenAls Massenaufloumlsung oder Aufloumlsungsvermoumlgen R (resolution) definiert man R = M∆MDabei kann ∆M von Peaktop zu Peaktop durch die Peakbreite bei 10 Houmlhe (10 Tal-Definition seltener bei 5 Houmlhe) oder bei 50 Houmlhe (Full width at half maximum FWHM)gemessen werden Es gilt 18R10 = RFWHM Durch Variation der Spaltweiten laumlszligt sich dieAufloumlsung eines guten Sektorfeldgeraumltes im Bereich von ca 500ndash50000 variieren SteigendeAufloumlsung verringert allerdings betraumlchtlich die Transmission

Abb 9 Die verschiedenen Definitionen der Aufloumlsung in der MS

Metastabile Ionen und Stoszligaktivierungs-MSInstabile IonenDie meisten Molekuumllionen zerfallen schon 10-12ndash10-6 s nach der Ionisation als Folge ihrerhohen inneren Energie Da die Verweilzeit im Ionisationsvolumen etwa 10-6 s betraumlgt werdennur noch deren Zerfallsprodukte in das Beschleunigungsfeld eintreten und schlieszliglich

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detektiert werden Ionen mit einer Lebensdauer lt 10-6 s werden in der MS deshalb alsinstabile Ionen bezeichnet

Stabile IonenMolekuumllionen mit geringer innerer Energie koumlnnen keine Zerfallsschwelle uumlberwinden Wennsie in einem Potentialminimum existieren sind sie unter den Bedingungen des Massen-spektrometers (bei lt 10-6 mbar isoliert in der Gasphase) stabil

Metastabile IonenNicht alle die Ionenquelle verlassenden Ionen uumlberleben die Flugzeit bis zum Detektormanche zerfallen im Transit Diese Ionen werden als metastabile Ionen bezeichnet Man kanndefinieren metastabile Ionen haben eine Lebensdauer in der Groumlszligenordnung von 10ndash6ndash10ndash5 s

Scantechnik beim SektorfeldgeraumltDa der Radius des B-Sektors und Ekin der Ionen festgelegt sind variiert man zur Aufnahmevon Massenspektren der in der Ionenquelle gebildeten Ionen die magnetische Feldstaumlrke Bsog B-Scan oder M-Scan Uumlblich sind Scanraten von 1ndash10 sDecade z B mz 50ndash500 in 5 sbei 5 sDecade Eine andere Methode ist die proportionale Variation von Beschleunigungs-spannung und ESA-Spannung sog E-Scan oder HV-Scan Wegen der damit verbundenenDefokussierung der Ionenquelle kann nur ein kleinerer Massenbereich ca 50 des amMagneten eingestellten mz-Wertes abgedeckt werden

Zerfaumlllt ein metastabiles Ion der Masse m1 d h nachdem es die volle Beschleunigungs-spannung durchlaufen hat in einer feldfreien Region (FFR) vor dem B-Sektor in eingeladenes Bruchstuumlck der Masse m2 und ein ungeladenes der Masse n = (m1-m2) dann fliegendie Produkte m2 und n mit der unveraumlnderten Geschwindigkeit v1 = v2 weiter

v = 2eUm

11

Der Bahnradius r2 des geladenen Bruchstuumlckes m2 beim Durchfliegen des B-Sektors ist

= me B

2 1r2v

Nach Einsetzen von v1 erhaumllt man

r2 22

1 = 1

B 2 m U

m eDas Bruchstuumlck der Masse m2 wird demnach bei einer effektiven Massenzahl

m = m22 m1

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im Massenspektrum registriert sofern es sich um ein B- oder EB-Geraumlt handelt BE-Geraumltezeigen keine metastabilen Ionen im Spektrum da diese wegen ihrer verringerten kinetischenEnergie nicht den E-Sektor passieren koumlnnenDie Untersuchung metastabiler Ionen ist eine wichtige Methode in der Chemie isolierter Ionenin der Gasphase Deshalb wurde eine Vielzahl von Scantechniken fuumlr Sektorfeldmassen-spektrometer entwickelt die es erlauben die Zerfaumllle metastabiler Ionen in einer FFR vor demB-Sektor oder auch vor dem E-Sektor zu registrieren Daraus lassen sich Informationen uumlberintrinsische Eigenschaften der Ionen und uumlber Zerfallsmechanismen gewinnen Auch fuumlrlineare Quadrupol- Quadrupol-Ionenfallen- ICR- und TOF-Massenspektrometer gibt esTechniken zur Untersuchung isolierter Ionen auf die hier aber nicht naumlher eingegangenwerden kann Generell bezeichnet man diese Techniken als Tandem-MS MSMS oder MSnda inzwischen auch mehrstufige MS-Experimente realisiert werden koumlnnenBeim Einsatz der sanften Ionisationsmethoden werden nahezu ausschlieszliglich stabileMolekuumllionen erzeugt Um dennoch Strukturinformation zu erhalten kann man dieFragmentierung durch Stoszligaktivierung (collisionally induced dissociation CID collisionalactivation CA) erzwingen Dazu wird der Ionenstrahl durch eine Stoszligkammer mit einemneutralen Stoszliggas (He Ar N2) geschickt Die Umgebung der Stoszligkammer wird durch dasdifferentielle Pumpsystem unter Hochvakuum gehalten Bei den hochenergetischen Stoumlszligenmit den Gasatomen werden die Ionen aumlhnlich angeregt wie bei der EI-Ionisation DieFragmentionen werden dann mittels Tandem-MS analysiert

Detektor

Der einfachste Detektor ist ein Faraday cup ein kleiner Metallbecher der die Ionen sammeltund sich dabei elektrisch auflaumldt Die Ladung flieszligt uumlber einen Widerstand von 10ndash100 MΩab uumlber den der Spannungsabfall gemessen und nach Verstaumlrkung registriert wird DiesesSystem wird nur noch in der Isotopen-MS eingesetzt

Heute werden oft Sekundaumlrelektronen-Vervielfacher (SEV secondary electron multiplierSEM) benutzt Der Ionenstrahl trifft auf eine Konversionsdynode aus einemHalbleitermaterial dadurch werden Elektronen freigesetzt die auf die naumlchste Dynode hinbeschleunigt werden Uumlber 14ndash17 Stufen uumlber die insgesamt 1ndash3 kV anliegen wird so eineVerstaumlrkungskaskade ausgeloumlst (Faktor 106ndash108) Der Strom wird verstaumlrkt und in einSpannungssignal umgewandelt

Anstelle einzelner Dynoden kann man eine kontinuierliche Bauart des SEV verwenden dasChanneltron Das Channeltron ist ein kleines gebogenes Houmlrnchen uumlber das vom Eintritt biszum Ende 1ndash3 kV angelegt werden

Schneidet man ein Buumlndel tausender zusammengesinterter Glaskapillaren mit entsprechenderBeschichtung der Innenwaumlnde in duumlnne Scheiben entsteht eine Anordnung bei der jeder

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dieser feinen Kanaumlle wie ein kleines Channeltron wirkt Dies ist eine sog Microchannel plate(MCP ca 2ndash5 cm Durchmesser) Die groszlige Oberflaumlche erlaubt eine sehr empfindlicheDetektion eintreffender Ionen uumlber einen groszligen Raumwinkel (vorteilhaft bei TOF-MS)

Anstatt das Signal der gesamten MCP zusammenzufassen kann man es auch ortsaufgeloumlstregistrieren Solch ein Array-Detektor kann simultan einen bestimmten Massenbereich ( ca5ndash10 des eingestellten mz eines Sektorfeldgeraumlts) in 512ndash2048 Kanaumlle detektieren und soeine im Vergleich zum SEV 100-fach houmlhere Empfindlichkeit erreichen

DatensystemDie Leistungsfaumlhigkeit moderner Massenspektrometer wird zu einem nicht unerheblichen Teildurch das zur Meszligdatenerfassung und -auswertung verwendete Datensystem bestimmt Auchdie Geraumltesteuerung wird bei modernen Systemen ausschlieszliglich uumlber den Rechner ab-gewickelt Gute Software kann einen gewaltigen Beitrag zu Probendurchsatz undQualitaumltssicherung beisteuern (Leider fuumlhren fully automated and easy to use-Geraumlte nichtselten zu einem gewissen Dilettantismus in der MS)

Grundlagen der Spektreninterpretation

Isotopie der ElementeDie meisten Elemente sind keine Reinelemente d h sie kommen nicht monoisotopisch vorMan kann grob folgende massenspektrometrisch relevante Gruppen einteilen (fuumlr die uumlbrigenElemente sei auf die gaumlngige MS-Literatur verwiesen)

1 Reinelemente wie 19F 31P 127I oder 133Cs

2 Elemente mit einem Hauptisotop und ein oder zwei Begleitisotopen von sehr geringerHaumlufigkeit (lt 03 ) Dazu gehoumlren 1H 14N 16O Fuumlr die meisten Zwecke lassen sie sich wiedie Reinelemente beruumlcksichtigen

3 Elemente mit einem Hauptisotop und ein oder zwei Begleitisotopen von geringerHaumlufigkeit (lt 5 ) Dazu gehoumlren 12C 28Si und 32S

4 Elemente die mit zwei Isotopen vergleichbarer Haumlufigkeit auftreten wie 10B 11B oder dieHalogene 35Cl 37Cl und 79Br 81Br

5 Elemente mit mehreren Isotopen und relativ gleichmaumlszligiger Verteilung wie Hg Sn Ru etc

Information aus den IsotopenpeaksDie Haumlufigkeit der Molekuumlle die ein Molgewicht haben das 1 2 3 oder mehr Massen-einheiten uumlber dem Molgewicht des monoisotopischen Molekuumlls liegt haumlngt ab von derAnzahl der vorhandenen Atome und von der relativen Haumlufigkeit der Isotope in denbeteiligten Elementen

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Element M M+1 M+2Masse Masse Masse

H 1 100 2 0015 - -B 10 248 11 100 - -C 12 100 13 11 - -N 14 100 15 037 - -O 16 100 17 004 18 020F 19 100 - - - -Si 28 100 29 51 30 34P 31 100 - - - -S 32 100 33 08 34 44Cl 35 100 - - 37 320Br 79 100 - - 81 980I 127 100 - - - -

Tabelle 1 Isotopenverteilung einiger Elemente normiert auf das haumlufigste Isotop Es wurden nur die in der MSrelevanten Isotope der Elemente aufgefuumlhrt

Der 13C-PeakZwar hat jedes C-Atom nur zu 11 die Chance als 13C aufzutreten doch beim Kohlenstoffist 13C relevant da oft eine groszlige Zahl von C-Atomen in einem Molekuumll vorkommt ImMethan betraumlgt die Intensitaumlt des M+1 Peaks bei mz 17 daher etwa 11 der Intensitaumlt desPeaks bei mz 16 im Hexan hat M+1 mz 73 ca 66 der Intensitaumlt von mz 72

M+1 M+2 M+1 M+2 M+3C1 11 0 C20 22 23 02C2 22 001 C30 33 52 05C4 44 007 C40 44 94 13C6 66 018 C50 55 15 15

C10 110 054 C60 66 21 46C14 154 11 C100 110 60 22

Tabelle 2 Beitraumlge zum M+1 M+2 und M+3 Signal in rel des monoisotopischen Signals durch 13C-Anteil inCn-Verbindungen

M+2 ElementeBei Elementen die hauptsaumlchlich ein schweres Isotop in groumlszligerer Haumlufigkeit enthalten wieSchwefel Silicium Chlor und Brom kann die Isotopenverteilung nach folgendem verein-fachten Ausdruck berechnet werden

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(a + b)n

a ist die relative Haumlufigkeit des leichten Isotopsb ist die relative Haumlufigkeit des schweren Isotopsn ist die Anzahl der Atome des betrachteten Elements im Molekuumll

Si und S zeigen kleine aber deutliche Isotopenpeaks die einen Ruumlckschluszlig auf dasVorhandensein dieser Elemente erlauben Bei Cl und Br schlieszliglich machen die Isotopenpeaksderen Anwesenheit unverkennbarBesonders bei Si und S koumlnnen Uumlberlagerungen mit dem 13C- oder anderen Mustern leichtzum Verwischen fuumlhren Man beachte auszligerdem daszlig die Halogene M M+2 M+4 M+6liefern waumlhrend der Abstand bei Si und S nur 1 u betraumlgt In allen Faumlllen muszlig x (Abb 10)mindestens der Masse der Elementkombination entsprechen z B x = 70 bei Cl2 sonst kannes sich nicht um ein Isotopenmuster handeln

Si Si2 Si3

x +2 x +2 x +2

5134

1071

1511

x +2 x +2

S S2

44 88

Abb 10 Die wichtigsten Isotopenmuster der organischen MS Hier sind die Muster der jeweiligen Elemente sogezeigt wie sie sich ohne Uumlberlagerung mit dem Isotopenmuster des Kohlenstoffs ergeben

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exakteIsotopenmasse

relativeHaumlufigkeit

Massen-uumlberschuszlig

relativeAtommasse

Isotop Nominal-masse

amu mmu amu

1H 1 1007825 99985 782 100792H 2 2014102 0015 141010B 10 10012938 199 1294 1081111B 11 11009305 801 93012C 12 12000000 9890 0 1201113C 13 13003355 110 33514N 14 14003074 99634 307 14006715N 15 15000109 0366 01116O 16 15994915 99762 -508 15999417O 16 16999131 0038 -08618O 18 17999159 0200 -08419F 19 18998403 1000 -159 189984

23Na 23 22989770 1000 -1023 22989828Si 28 27976928 9223 -2307 28085529Si 29 28976496 467 -235030Si 30 29973772 310 -262331P 31 30973763 1000 -2623 30973832S 32 31972072 9502 -2792 3206633S 33 32971459 075 -285434S 34 33967868 421 -3213

35Cl 35 34968853 7577 -3114 35452737Cl 37 36965903 2423 -341039K 39 38963708 932581 -3629 39098340K 40 39963999 00117 -360041K 41 40961825 67302 -381879Br 79 78918336 5069 -8165 7990481Br 81 80916290 4931 -8365127J 127 126904477 1000 -9564 1269044

Tabelle 3 Isotopenhaumlufigkeit exakte Isotopenmassen und relative chemische Atommassen einiger Elemente

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Hochaufloumlsende Massenspektrometrie und exakte Masse

Die relativen Atommassen sind nach IUPAC auf Kohlenstoff bezogen Genauer eineatomare Masseneinheit equiv 1 u equiv 112 der Masse des Kohlenstoffisotops 12C Neben u sind auchdie Bezeichnungen amu (atomic mass unit) und Da (Dalton) in Gebrauch(Die Definition vor 1961 war 1 Masseneinheit ME equiv 116 der Masse Sauerstoffisotops 16ODamit ergeben sich geringfuumlgig andere Atommassen Man muszlig deshalb auf das Erscheinungs-jahr von Massentabellen achten)

MassendefektDie Differenz von exakter Masse zu Nominalmasse wird als Massendefekt (mass deficiency)bzw Massenuumlberschuszlig bezeichnet Alkane und Alkylionen besitzen wegen ihres hohen 1H-Gehalts den groumlszligten Massenuumlberschuszlig dann folgen Amide und Peptide Polyether undPolyalkohole wie Oligosaccharide Kohlenstoff als 12C hat definitionsgemaumlszlig keinenMassendefekt Massendefekte werden oft in halogenierten Verbindungen und generell beimVorliegen von Schweratomen beobachtet Bereits ab mz 500 kann man mit Nominalmassen(H 1 u C 12 u O 16 u ) schon deutlich falsch liegen Das Molkuumllion von C36H74 mz5065790 ist nominal noch mz 506 wuumlrde aber von einem Datensystem ggf zu mz 507aufgerundet Deshalb ist auch bei Verwendung der Nominalmasse eine Dezimalstelleangebracht z B mz 5066

-04-02

002040608

112141618

222242628

3

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

nominale Molmasse (amu)

Mas

send

efek

t (am

u) KohlenstoffNylon-66PEGPTFEPVCPE

Abb 11 Zu bestimmten Gruppen von Summenformeln gehoumlren charakteristische MassendefekteIm Falle von elementarem Kohlenstoff zB bei Fullerenen ist der Wert immer 0 amu Typischeorganische Verbindungen dagegen zeigen Werte von 05-10 amu pro 1000 amu TretenUumlbergangsmetalle oder Halogene auf ist der Wert deutlich verringert und kann sogar unter dieNominalmasse fallen zB bei PFK

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Bestimmung der SummenformelMit doppelfokussierenden Magnetsektorfeldgeraumlten sind Massenaufloumlsungen uumlber 10000 zuerreichen (high resolution HR) So lassen sich Gemische isotopomerer Ionen gleicherNominalmasse wegen ihrer unterschiedlichen exakten Massen trennen und den isotopischenZusammensetzungen zuordnen vorausgesetzt es gelingt eine Zuordnung der Peaks zu einerexakten Masse Dazu verwendet man eine Kalibriersubstanz mit Signalen bekannter exakterMassen als interne Standardisierung der Massenskala Perfluorkerosin (PFK) und andereperfluorierte Verbindungen werden fuumlr die externe Kalibrierung und auch als internerMassenstandard in der EI-HR-MS eingesetzt da sie Ionen mit deutlichem Massendefektbilden die normalerweise leicht von den zu untersuchenden Ionen getrennt werden Ohneinternen Standard waumlre z B bei Auftreten von nur einem der beiden Signale nicht zwischen40Ar+ mz 399624 und C3H4+ mz 400313 zu unterscheiden Demnach werden durchHR-MS Ionenmassen abgesichert und auch zwischen nominal isobaren Eliminierungen z Bvon N2 CO undoder C2H4 kann man klar differenzieren

Mit zunehmender Molmasse kommen jedoch viele Summenformeln in einem experimentellenFehlerbereich von 2ndash5 mmu (milli u) in Frage Bei mz 500 entsprechen 5 mmu einer relativenAbweichung von 10 ppm bei mz 2000 aber nur noch 25 ppm Die Auswahl anSummenformeln im Fehlerintervall wird allerdings oft durch ergaumlnzende Informationeneingeengt Solche Limitierungen ergeben sich aus der Herkunft der Probe (z B nur C H13N und lt 4 O) oder aus dem Isotopenmuster des Molekuumllions (zB 1 Br kein S)

In der Massenspektrometrie kommt der Bestimmung der Summenformel einer unbekanntenSubstanz eine zentrale Bedeutung zu Zwar lassen sich oft schon weitgehende Ruumlckschluumlsseaus dem Isotopenmuster des Molekuumllions ziehen doch eine exakte Massenmessung stellt dieverlaumlszliglichere Information dar da ggf eine Uumlberlagerung des 13C Peaks mit einem [M+H]+

Peak unbekannter Intensitaumlt das Isotopenmuster verfaumllschen Auszligerdem haumlngt der 13C-Gehaltvon der Herkunft der Probe ab was die Bestimmung der Anzahl C-Atome aus dem M+1 Peaklimitiert

Herkunft des Kohlenstoffs 13C

atmosphaumlrisches CO2 1106C3-Pflanzen 1080C4-Pflanzen 1095fossile Stoffe 106-108

Tabelle 4 13C-Gehalt von Kohlenstoff in Abhaumlngigkeit von seiner Herkunft Generell ist der Gehalt derschwereren Isotope in aumlquatorialen Breiten houmlher als in polnahen Regionen

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Ringe plus Doppelbindungen

Wegen der jeweils eigenen Anzahl Valenzen der Elemente berechnet sich die Summe derRinge plus Doppelbindungen r + d (auch Doppelbindungsaumlquivalente DBAuml unsaturationUS) fuumlr ein Molekuumllion der Formel CcHhNnOo nach der Gleichung

r + d = c - 05 h + 05 n + 1Wendet man die Formel auf Pyridin C5H5N an so ergibt sich

r + d = 5 - 05bull5 + 05bull1 + 1 = 5 - 25 + 05 + 1 = 4

Bei Fragmentionen kann der berechnete Wert von r + d auch 05 15 betragen Um denkorrekten Wert zu erhalten rundet man auf die ganze Zahl ab Fuumlr das BenzoylkationC7H5O+ erhaumllt man

r + d = 7 - 05bull5 + 1 = 55

was als r + d = 5 zu interpretieren ist Die Aussage ist dann korrekt wenn man die Fragment-ionen als Carbeniumionen schreibt

O O+

+N N+ +

Treten andere Elemente auf so werden sie nach der Zahl ihrer Valenzen beruumlcksichtigt Sizaumlhlt zu C P zu N S zu O Hal zu H Wenn Elemente houmlhere Valenzen erreichen als in derFormel angenommen werden falsche Werte fuumlr r + d errechnet z B bei SulfoxidenSulfonen Phosphaten Fuumlr jeweils zwei Valenzen mehr als oben angenommen muumlszligte man dieFormel um +1 ergaumlnzen z B Phosphorsaumluretrimethylester C3H9O3P mit 5- statt 3-bindigemPhosphor

r + d = 3 - 45 + 05 + 2 = 1

Man erhaumllt durch diese Rechnung eine Limitierung der Anzahl Strukturvorschlaumlge zu einerSummenformel

Fragmentierungsreaktionen

Ein nicht unwesentlicher Teil der Interpretation von Massenspektren laumlszligt sich durchAnwendung von Zerfallsschemata erreichen Dazu muszlig man die wichtigsten Frag-mentierungsreaktionen verschiedener Ionenspezies kennen Nicht jeder Peak laumlszligt sich sovernuumlnftig erklaumlren Viele Reaktionen sind spezifisch fuumlr eine kleine Gruppe von Ionen ImZweifel ist die Fachliteratur zu Rate zu ziehen Fuumlr die im Kurs abgedeckten Substanzklassenist der Umfang nachfolgender Zusammenstellung ausreichend

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Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen

αααα-Spaltung aktivierter Bindungen

R

O+

α1

α2

RO+

+

O+

R +

α1

α2

Bildung der thermodynamischstabileren Produktpaarung ausIon und Radikal ist bevorzugt

Es wird eine zum Heteroatom α-staumlndigeBindung homolytischgespalten

O+

α

α O+

+ CH3 Das Heteroatom kann

exostaumlndig oder Teileiner Kette sein

O+

H

O+

H

O+

α 15-Hα

O+

+

In alicyclischen Systemen tritt doppelte α-Spaltung unter Umlagerung uumlber distonische Intermediate auf

Als Konkurrenzreaktionwird aber auch die andereProduktpaarung gebildet Deshalb findet man oft zurAbspaltung des Radikals nauch das korrespondierendeIon n+

+

+

R

O

OR

O+

α1

α2

R +

+

α1

α2

Allylspaltung

+

+

+

+

In Alkenen wird bevorzugt die allylische Bindung gespalten wobei das Allylkationgebildet wird

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Alkylspaltung und Olefinverlust aus Alkylkationen

+

+

C2H5

+

C3H7

+ +

- C2H4 28 u

Molekuumllionen mit Alkylketten spalten unselektiv entlang der Kette Alkylradikale abDie gebildeten Alkylkationen gehen Kettenverkuumlrzungen unter Alkenverlust einDaneben treten Isomerisierungen aller Ionenspezies auf

mz 43- CH3

--

Benzylspaltung

+

- C4H9 - C2H2 26 u

mz 77 mz 51

+ +

- C3H7

In Alkylaromaten wird bevorzugt die benzylische Bindung gespalten Es treten die typischen Ionen mz 91 77 65 51 39 oder deren Homologeauf Das Ausmaszlig der Isomerisierung ist verschieden Diese Serie kann aber auch aus nichtaromatischen Ionen gebildet werden wenn die Summenformel C7H7 zustande kommt

- C2H2 26 u

+

+ + +

mz 91 mz 65

- C2H2 26 u

C3H3+

mz 39

+

Die Spaltung der phenylischen Bindung fuumlhrt zu den Ionen bei mz 77 51 Sie ist beiAlkylaromaten weniger bevorzugt

Benzoylverbindungen dagegen bilden durch αminusSpaltung zunaumlchstdas Benzoylkation das unter CO-Verlust zu mz 77 51 weiterfragmentiert

O

R ++

mz 51mz 77

- C2H2 26 u

+

- R

α

+O

- CO 28 u

mz 105

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McLafferty-Umlagerung (ββββ-Spaltung mit γγγγ-H-Transfer)

OH R+

ORH+

15-H OH R+

+

In Molekuumllionen mit C=X-Doppelbindung tritt McLafferty-Umlagerung auf wenn ein γ-H-Atomuumlber die Sechsringkonformation auf X uumlbertragen werden kann Es tritt Alkenverlust aufMan kann die Umlagerung auch konzertiert formulieren

a)

b)

N

H R

+15-H-

N

R+

NR

++

In closed-shell Ionen wird ein analoger Prozeszlig beobachtet Onium-Ionen eliminieren einAlken-Molekuumll unter Bildung eines neuen Onium-Ions

c)

H

R + R

HH

+ HH

+

mz 92

+

R

Alkylaromaten bilden neben der Benzylspaltung mz 92oder Homologe durch McLafferty-Umlagerung DasIon mz 92 ist ein Isomer des Toluol-Molekuumllions

15-H

Eine andere Moumlglichkeit ein Alken aus dem Molekuumllion zu eliminieren ist die

AB

+

A B++

+BAA

B

+

+

Molekuumllionen und closed-shellIonen mit einem Sechsringsystemdas eine Doppelbindung enthaumlltgehen RDA ein Die Dien-Komponentetraumlgt bevorzugt die LadungEs koumlnnen Heteroatome enthalten sein

Retro-Diels-Alder-Reaktion RDA

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R

++N

R

H

Onium-Reaktion

+ HN

Onium-Ionen zeigen Alkenverluste unter Abspaltung des gesamten AlkylrestesDas uumlbertragene H kann aus der ganzen Kette stammen Der Mechanismus isteigentlich komplizierter es treten intermediaumlr Ion-Molekuumll-Komplexe aufWegen der Delokalisierung der Ladung sind sowohl die C=X+-R als auch die R-C+-X-Bindung moumlgliche Positionen fuumlr die Onium-Rkt

a)

c)

OR

+OH+

+R

OR+

+

Vor allem Oxonium-Ionen zeigen neben Alkenverlust auch Aldehydverlust da die Differenz der Protonenaffinitaumlten von Aldehyd und Carbenium-Ion relativ gering istBei genuumlgender innerer Energie gehen alle Onium-Ionen beide Reaktionen ein

b)

NH2R+

+NH2R

R NH2++

OH +O

H

H

+

CO-Verlust aus Phenolen

- CO

mz 9428 u

mz 66

+

+

mz 65

- H

CO-Verlust tritt auszligerdem bei anderen ungesaumlttigten cyclischen Ketonen und beiAcylium-Ionen auf CO-Verlust kann eine thermische Rkt vor der Ionisation sein

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ortho-Effekt oder Retro-14-Addition

OMe

H

O

4

1

+ O+

- MeOH

Bei ortho-substituierten Benzol- und bei 18-substituierten Naphthalinderivatenkoumlnnen Fragmentierungen auftreten die nur durch Wechselwirkung beider Sub-stituenten moumlglich werden Dazu gehoumlren auch OH-Verluste aus Nitroaromaten

Referenzspektren

Anhand von Referenzspektren lassen sich gut substanzklassenspezifische Charakteristikaerkennen Deshalb kommt Spektrenbibliotheken eine groumlszligere Bedeutung als nur die direkteIdentifizierung einer unbekannten Verbindung zu

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NISTEPANIH Mass Spectral Data Base 1998

Tabellen charakteristischer Fragmentionen und MassendifferenzenZur Beachtung

Diese Tabellen sind mit Vorsicht zu genieszligen Es gibt sicher noch viele andere isobareFragmentionen und Massendifferenzen Auszligerdem laumlszligt man sich all zu leicht auf einenbestimmten Interpretationsansatz festlegen

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

30 Amine primaumlre Amine falls

intensiver als homologe

Iminium-Ionen

NH2+

30 Nitroverbindungen NO+

31 Alkohole Ether Acetale wenn intensivstes der

Oxonium-Ionen prim

Alkohol

OH+

32 Sauerstoff meist Untergrund [O2]+

32 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [S]+

33 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [HS]+

34 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [H2S]+

35 Chlorverbindungen plus Isotop 37Cl [Cl]+

36 Chlorverbindungen HCl plus Isotop 37Cl [HCl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 7: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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v = 2eUm

Laumlszligt man die Einheiten beiseite kann man eine Schnellformel daraus erhalten

mzU 13900= v

Offenbar haumlngt die Geschwindigkeit der Ionen bei gegebener Beschleunigungsspannung vonder Masse der Ionen ab Laumlszligt sich das ausnutzen

Analysator

Generell werden Massenspektrometer nach ihrem Analysator bezeichnet d h nach denverschiedenen Methoden zur Ionentrennung nach mz

Sektorfeldgeraumlte (B BE EB EBE EBEB BEBE)Magnetische (B) und elektrische (E) Sektorfelder senkrecht zur Flugrichtung der Ionen

Quadrupolgeraumlte (Q QqQ)Uumlberlagerung zeitlich konstanter und hochfrequenter elektrischer Quadrupolfelder in linearenQuadrupolen (Q Massentrennung q nur fokussierende Wirkung)

Quadrupol-Ionenfallen (Trap IT Quistor)Uumlberlagerung zeitlich konstanter und hochfrequenter elektrischer Quadrupolfelder in einerPaul-Falle Erlaubt Speicherung der Ionen

Ionencyclotronresonanzgeraumlte (ICR)Elektrische Anregung in sehr starkem Magnetfeld (3-7 T) und Bestimmung derCyclotronresonanzfrequenz Erlaubt Speicherung der Ionen

Flugzeitgeraumlte (TOF)Bestimmung der Flugzeit (time-of-flight) der Ionen Benoumltigt eine gepulste Ionenquelle

Hybridgeraumlte (BEqQ BEtrap EBE-TOF)Kombination verschiedener Analysatoren fuumlr MSMS billiger als Multi-Sektorfeld

Der Analysator im SektorfeldmassenspektrometerIn einem doppelfokussierenden Sektorfeldmassenspektrometer werden die Ionen durch eineAnordnung aus einem homogenen Magnetfeld (B-Sektor) und einem zylindrischenelektrischen Feld (E-Sektor electrostatic analyzer ESA) nach mz getrennt Man unterscheidetBE- und EB-Geometrie Der Analysator ist zur Ionenquelle durch den Eintrittsspalt (sourceslit entrance slit object slit) zum Detektor durch den Austrittsspalt (collector slit image slit)begrenzt

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Abb 8 Das VG ZAB-2F und das neuere Jeol JMS-700 des Organisch-Chemischen Instituts sind typische BE-Sektorfeldgeraumlte Die Abbildung zeigt das Schema des ZAB-2F

Flugbahn im homogenen MagnetfeldDie Feldlinien des magnetischen Sektorfeldes mit der Feldstaumlrke B stehen senkrecht zurBewegungsrichtung der Ionen Als Folge der Lorentz-Kraft laufen die Ionen auf einer Kreis-bahn deren Radius rm durch Gleichheit von Lorentz-Kraft und Zentrifugalkraft bestimmt istFuumlr einfach geladene Ionen gilt und senkrechten Eintritt ins Magnetfeld laumlszligt sich vereinfachtdie skalare Beziehung schreiben

e Bv = m vr

r = mvB e

2

m

m

Der Bahnradius im B-Sektor ist also dem Impuls p = m v der Teilchen proportionalUmformen nach me liefert

me

r Bv

m=

Nach Einsetzen von v erhaumllt man

me

r B meU

=2

und darausme

= r B 2U

m2 2

Diese Gleichung ist auch als massenspektrometrische Grundgleichung bekannt Wegen derVielzahl von in der MS-Praxis genutzten Analysatortypen gibt es aber eigentlich nicht mehrnur eine Grundgleichung

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Flugbahn im elektrischen FeldIm elektrischen Feld der Feldstaumlrke E fliegen die Ionen auf einer Kreisbahn deren Radiusbestimmt wird durch die Beziehung

e E = mvr

r = m ve E

r = 2UE

2

e

e 2

e

Das elektrische Feld wirkt als Energiefilter Da es die Energieunschaumlrfe der Ionen eliminiertwird die erreichbare Massenaufloumlsung eines doppelfokussierenden Sektorfeldgeraumltesgegenuumlber einem reinen B-Sektorfeldgeraumlt um ein Vielfaches erhoumlht

AufloumlsungsvermoumlgenAls Massenaufloumlsung oder Aufloumlsungsvermoumlgen R (resolution) definiert man R = M∆MDabei kann ∆M von Peaktop zu Peaktop durch die Peakbreite bei 10 Houmlhe (10 Tal-Definition seltener bei 5 Houmlhe) oder bei 50 Houmlhe (Full width at half maximum FWHM)gemessen werden Es gilt 18R10 = RFWHM Durch Variation der Spaltweiten laumlszligt sich dieAufloumlsung eines guten Sektorfeldgeraumltes im Bereich von ca 500ndash50000 variieren SteigendeAufloumlsung verringert allerdings betraumlchtlich die Transmission

Abb 9 Die verschiedenen Definitionen der Aufloumlsung in der MS

Metastabile Ionen und Stoszligaktivierungs-MSInstabile IonenDie meisten Molekuumllionen zerfallen schon 10-12ndash10-6 s nach der Ionisation als Folge ihrerhohen inneren Energie Da die Verweilzeit im Ionisationsvolumen etwa 10-6 s betraumlgt werdennur noch deren Zerfallsprodukte in das Beschleunigungsfeld eintreten und schlieszliglich

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detektiert werden Ionen mit einer Lebensdauer lt 10-6 s werden in der MS deshalb alsinstabile Ionen bezeichnet

Stabile IonenMolekuumllionen mit geringer innerer Energie koumlnnen keine Zerfallsschwelle uumlberwinden Wennsie in einem Potentialminimum existieren sind sie unter den Bedingungen des Massen-spektrometers (bei lt 10-6 mbar isoliert in der Gasphase) stabil

Metastabile IonenNicht alle die Ionenquelle verlassenden Ionen uumlberleben die Flugzeit bis zum Detektormanche zerfallen im Transit Diese Ionen werden als metastabile Ionen bezeichnet Man kanndefinieren metastabile Ionen haben eine Lebensdauer in der Groumlszligenordnung von 10ndash6ndash10ndash5 s

Scantechnik beim SektorfeldgeraumltDa der Radius des B-Sektors und Ekin der Ionen festgelegt sind variiert man zur Aufnahmevon Massenspektren der in der Ionenquelle gebildeten Ionen die magnetische Feldstaumlrke Bsog B-Scan oder M-Scan Uumlblich sind Scanraten von 1ndash10 sDecade z B mz 50ndash500 in 5 sbei 5 sDecade Eine andere Methode ist die proportionale Variation von Beschleunigungs-spannung und ESA-Spannung sog E-Scan oder HV-Scan Wegen der damit verbundenenDefokussierung der Ionenquelle kann nur ein kleinerer Massenbereich ca 50 des amMagneten eingestellten mz-Wertes abgedeckt werden

Zerfaumlllt ein metastabiles Ion der Masse m1 d h nachdem es die volle Beschleunigungs-spannung durchlaufen hat in einer feldfreien Region (FFR) vor dem B-Sektor in eingeladenes Bruchstuumlck der Masse m2 und ein ungeladenes der Masse n = (m1-m2) dann fliegendie Produkte m2 und n mit der unveraumlnderten Geschwindigkeit v1 = v2 weiter

v = 2eUm

11

Der Bahnradius r2 des geladenen Bruchstuumlckes m2 beim Durchfliegen des B-Sektors ist

= me B

2 1r2v

Nach Einsetzen von v1 erhaumllt man

r2 22

1 = 1

B 2 m U

m eDas Bruchstuumlck der Masse m2 wird demnach bei einer effektiven Massenzahl

m = m22 m1

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im Massenspektrum registriert sofern es sich um ein B- oder EB-Geraumlt handelt BE-Geraumltezeigen keine metastabilen Ionen im Spektrum da diese wegen ihrer verringerten kinetischenEnergie nicht den E-Sektor passieren koumlnnenDie Untersuchung metastabiler Ionen ist eine wichtige Methode in der Chemie isolierter Ionenin der Gasphase Deshalb wurde eine Vielzahl von Scantechniken fuumlr Sektorfeldmassen-spektrometer entwickelt die es erlauben die Zerfaumllle metastabiler Ionen in einer FFR vor demB-Sektor oder auch vor dem E-Sektor zu registrieren Daraus lassen sich Informationen uumlberintrinsische Eigenschaften der Ionen und uumlber Zerfallsmechanismen gewinnen Auch fuumlrlineare Quadrupol- Quadrupol-Ionenfallen- ICR- und TOF-Massenspektrometer gibt esTechniken zur Untersuchung isolierter Ionen auf die hier aber nicht naumlher eingegangenwerden kann Generell bezeichnet man diese Techniken als Tandem-MS MSMS oder MSnda inzwischen auch mehrstufige MS-Experimente realisiert werden koumlnnenBeim Einsatz der sanften Ionisationsmethoden werden nahezu ausschlieszliglich stabileMolekuumllionen erzeugt Um dennoch Strukturinformation zu erhalten kann man dieFragmentierung durch Stoszligaktivierung (collisionally induced dissociation CID collisionalactivation CA) erzwingen Dazu wird der Ionenstrahl durch eine Stoszligkammer mit einemneutralen Stoszliggas (He Ar N2) geschickt Die Umgebung der Stoszligkammer wird durch dasdifferentielle Pumpsystem unter Hochvakuum gehalten Bei den hochenergetischen Stoumlszligenmit den Gasatomen werden die Ionen aumlhnlich angeregt wie bei der EI-Ionisation DieFragmentionen werden dann mittels Tandem-MS analysiert

Detektor

Der einfachste Detektor ist ein Faraday cup ein kleiner Metallbecher der die Ionen sammeltund sich dabei elektrisch auflaumldt Die Ladung flieszligt uumlber einen Widerstand von 10ndash100 MΩab uumlber den der Spannungsabfall gemessen und nach Verstaumlrkung registriert wird DiesesSystem wird nur noch in der Isotopen-MS eingesetzt

Heute werden oft Sekundaumlrelektronen-Vervielfacher (SEV secondary electron multiplierSEM) benutzt Der Ionenstrahl trifft auf eine Konversionsdynode aus einemHalbleitermaterial dadurch werden Elektronen freigesetzt die auf die naumlchste Dynode hinbeschleunigt werden Uumlber 14ndash17 Stufen uumlber die insgesamt 1ndash3 kV anliegen wird so eineVerstaumlrkungskaskade ausgeloumlst (Faktor 106ndash108) Der Strom wird verstaumlrkt und in einSpannungssignal umgewandelt

Anstelle einzelner Dynoden kann man eine kontinuierliche Bauart des SEV verwenden dasChanneltron Das Channeltron ist ein kleines gebogenes Houmlrnchen uumlber das vom Eintritt biszum Ende 1ndash3 kV angelegt werden

Schneidet man ein Buumlndel tausender zusammengesinterter Glaskapillaren mit entsprechenderBeschichtung der Innenwaumlnde in duumlnne Scheiben entsteht eine Anordnung bei der jeder

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dieser feinen Kanaumlle wie ein kleines Channeltron wirkt Dies ist eine sog Microchannel plate(MCP ca 2ndash5 cm Durchmesser) Die groszlige Oberflaumlche erlaubt eine sehr empfindlicheDetektion eintreffender Ionen uumlber einen groszligen Raumwinkel (vorteilhaft bei TOF-MS)

Anstatt das Signal der gesamten MCP zusammenzufassen kann man es auch ortsaufgeloumlstregistrieren Solch ein Array-Detektor kann simultan einen bestimmten Massenbereich ( ca5ndash10 des eingestellten mz eines Sektorfeldgeraumlts) in 512ndash2048 Kanaumlle detektieren und soeine im Vergleich zum SEV 100-fach houmlhere Empfindlichkeit erreichen

DatensystemDie Leistungsfaumlhigkeit moderner Massenspektrometer wird zu einem nicht unerheblichen Teildurch das zur Meszligdatenerfassung und -auswertung verwendete Datensystem bestimmt Auchdie Geraumltesteuerung wird bei modernen Systemen ausschlieszliglich uumlber den Rechner ab-gewickelt Gute Software kann einen gewaltigen Beitrag zu Probendurchsatz undQualitaumltssicherung beisteuern (Leider fuumlhren fully automated and easy to use-Geraumlte nichtselten zu einem gewissen Dilettantismus in der MS)

Grundlagen der Spektreninterpretation

Isotopie der ElementeDie meisten Elemente sind keine Reinelemente d h sie kommen nicht monoisotopisch vorMan kann grob folgende massenspektrometrisch relevante Gruppen einteilen (fuumlr die uumlbrigenElemente sei auf die gaumlngige MS-Literatur verwiesen)

1 Reinelemente wie 19F 31P 127I oder 133Cs

2 Elemente mit einem Hauptisotop und ein oder zwei Begleitisotopen von sehr geringerHaumlufigkeit (lt 03 ) Dazu gehoumlren 1H 14N 16O Fuumlr die meisten Zwecke lassen sie sich wiedie Reinelemente beruumlcksichtigen

3 Elemente mit einem Hauptisotop und ein oder zwei Begleitisotopen von geringerHaumlufigkeit (lt 5 ) Dazu gehoumlren 12C 28Si und 32S

4 Elemente die mit zwei Isotopen vergleichbarer Haumlufigkeit auftreten wie 10B 11B oder dieHalogene 35Cl 37Cl und 79Br 81Br

5 Elemente mit mehreren Isotopen und relativ gleichmaumlszligiger Verteilung wie Hg Sn Ru etc

Information aus den IsotopenpeaksDie Haumlufigkeit der Molekuumlle die ein Molgewicht haben das 1 2 3 oder mehr Massen-einheiten uumlber dem Molgewicht des monoisotopischen Molekuumlls liegt haumlngt ab von derAnzahl der vorhandenen Atome und von der relativen Haumlufigkeit der Isotope in denbeteiligten Elementen

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Element M M+1 M+2Masse Masse Masse

H 1 100 2 0015 - -B 10 248 11 100 - -C 12 100 13 11 - -N 14 100 15 037 - -O 16 100 17 004 18 020F 19 100 - - - -Si 28 100 29 51 30 34P 31 100 - - - -S 32 100 33 08 34 44Cl 35 100 - - 37 320Br 79 100 - - 81 980I 127 100 - - - -

Tabelle 1 Isotopenverteilung einiger Elemente normiert auf das haumlufigste Isotop Es wurden nur die in der MSrelevanten Isotope der Elemente aufgefuumlhrt

Der 13C-PeakZwar hat jedes C-Atom nur zu 11 die Chance als 13C aufzutreten doch beim Kohlenstoffist 13C relevant da oft eine groszlige Zahl von C-Atomen in einem Molekuumll vorkommt ImMethan betraumlgt die Intensitaumlt des M+1 Peaks bei mz 17 daher etwa 11 der Intensitaumlt desPeaks bei mz 16 im Hexan hat M+1 mz 73 ca 66 der Intensitaumlt von mz 72

M+1 M+2 M+1 M+2 M+3C1 11 0 C20 22 23 02C2 22 001 C30 33 52 05C4 44 007 C40 44 94 13C6 66 018 C50 55 15 15

C10 110 054 C60 66 21 46C14 154 11 C100 110 60 22

Tabelle 2 Beitraumlge zum M+1 M+2 und M+3 Signal in rel des monoisotopischen Signals durch 13C-Anteil inCn-Verbindungen

M+2 ElementeBei Elementen die hauptsaumlchlich ein schweres Isotop in groumlszligerer Haumlufigkeit enthalten wieSchwefel Silicium Chlor und Brom kann die Isotopenverteilung nach folgendem verein-fachten Ausdruck berechnet werden

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(a + b)n

a ist die relative Haumlufigkeit des leichten Isotopsb ist die relative Haumlufigkeit des schweren Isotopsn ist die Anzahl der Atome des betrachteten Elements im Molekuumll

Si und S zeigen kleine aber deutliche Isotopenpeaks die einen Ruumlckschluszlig auf dasVorhandensein dieser Elemente erlauben Bei Cl und Br schlieszliglich machen die Isotopenpeaksderen Anwesenheit unverkennbarBesonders bei Si und S koumlnnen Uumlberlagerungen mit dem 13C- oder anderen Mustern leichtzum Verwischen fuumlhren Man beachte auszligerdem daszlig die Halogene M M+2 M+4 M+6liefern waumlhrend der Abstand bei Si und S nur 1 u betraumlgt In allen Faumlllen muszlig x (Abb 10)mindestens der Masse der Elementkombination entsprechen z B x = 70 bei Cl2 sonst kannes sich nicht um ein Isotopenmuster handeln

Si Si2 Si3

x +2 x +2 x +2

5134

1071

1511

x +2 x +2

S S2

44 88

Abb 10 Die wichtigsten Isotopenmuster der organischen MS Hier sind die Muster der jeweiligen Elemente sogezeigt wie sie sich ohne Uumlberlagerung mit dem Isotopenmuster des Kohlenstoffs ergeben

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exakteIsotopenmasse

relativeHaumlufigkeit

Massen-uumlberschuszlig

relativeAtommasse

Isotop Nominal-masse

amu mmu amu

1H 1 1007825 99985 782 100792H 2 2014102 0015 141010B 10 10012938 199 1294 1081111B 11 11009305 801 93012C 12 12000000 9890 0 1201113C 13 13003355 110 33514N 14 14003074 99634 307 14006715N 15 15000109 0366 01116O 16 15994915 99762 -508 15999417O 16 16999131 0038 -08618O 18 17999159 0200 -08419F 19 18998403 1000 -159 189984

23Na 23 22989770 1000 -1023 22989828Si 28 27976928 9223 -2307 28085529Si 29 28976496 467 -235030Si 30 29973772 310 -262331P 31 30973763 1000 -2623 30973832S 32 31972072 9502 -2792 3206633S 33 32971459 075 -285434S 34 33967868 421 -3213

35Cl 35 34968853 7577 -3114 35452737Cl 37 36965903 2423 -341039K 39 38963708 932581 -3629 39098340K 40 39963999 00117 -360041K 41 40961825 67302 -381879Br 79 78918336 5069 -8165 7990481Br 81 80916290 4931 -8365127J 127 126904477 1000 -9564 1269044

Tabelle 3 Isotopenhaumlufigkeit exakte Isotopenmassen und relative chemische Atommassen einiger Elemente

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Hochaufloumlsende Massenspektrometrie und exakte Masse

Die relativen Atommassen sind nach IUPAC auf Kohlenstoff bezogen Genauer eineatomare Masseneinheit equiv 1 u equiv 112 der Masse des Kohlenstoffisotops 12C Neben u sind auchdie Bezeichnungen amu (atomic mass unit) und Da (Dalton) in Gebrauch(Die Definition vor 1961 war 1 Masseneinheit ME equiv 116 der Masse Sauerstoffisotops 16ODamit ergeben sich geringfuumlgig andere Atommassen Man muszlig deshalb auf das Erscheinungs-jahr von Massentabellen achten)

MassendefektDie Differenz von exakter Masse zu Nominalmasse wird als Massendefekt (mass deficiency)bzw Massenuumlberschuszlig bezeichnet Alkane und Alkylionen besitzen wegen ihres hohen 1H-Gehalts den groumlszligten Massenuumlberschuszlig dann folgen Amide und Peptide Polyether undPolyalkohole wie Oligosaccharide Kohlenstoff als 12C hat definitionsgemaumlszlig keinenMassendefekt Massendefekte werden oft in halogenierten Verbindungen und generell beimVorliegen von Schweratomen beobachtet Bereits ab mz 500 kann man mit Nominalmassen(H 1 u C 12 u O 16 u ) schon deutlich falsch liegen Das Molkuumllion von C36H74 mz5065790 ist nominal noch mz 506 wuumlrde aber von einem Datensystem ggf zu mz 507aufgerundet Deshalb ist auch bei Verwendung der Nominalmasse eine Dezimalstelleangebracht z B mz 5066

-04-02

002040608

112141618

222242628

3

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

nominale Molmasse (amu)

Mas

send

efek

t (am

u) KohlenstoffNylon-66PEGPTFEPVCPE

Abb 11 Zu bestimmten Gruppen von Summenformeln gehoumlren charakteristische MassendefekteIm Falle von elementarem Kohlenstoff zB bei Fullerenen ist der Wert immer 0 amu Typischeorganische Verbindungen dagegen zeigen Werte von 05-10 amu pro 1000 amu TretenUumlbergangsmetalle oder Halogene auf ist der Wert deutlich verringert und kann sogar unter dieNominalmasse fallen zB bei PFK

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Bestimmung der SummenformelMit doppelfokussierenden Magnetsektorfeldgeraumlten sind Massenaufloumlsungen uumlber 10000 zuerreichen (high resolution HR) So lassen sich Gemische isotopomerer Ionen gleicherNominalmasse wegen ihrer unterschiedlichen exakten Massen trennen und den isotopischenZusammensetzungen zuordnen vorausgesetzt es gelingt eine Zuordnung der Peaks zu einerexakten Masse Dazu verwendet man eine Kalibriersubstanz mit Signalen bekannter exakterMassen als interne Standardisierung der Massenskala Perfluorkerosin (PFK) und andereperfluorierte Verbindungen werden fuumlr die externe Kalibrierung und auch als internerMassenstandard in der EI-HR-MS eingesetzt da sie Ionen mit deutlichem Massendefektbilden die normalerweise leicht von den zu untersuchenden Ionen getrennt werden Ohneinternen Standard waumlre z B bei Auftreten von nur einem der beiden Signale nicht zwischen40Ar+ mz 399624 und C3H4+ mz 400313 zu unterscheiden Demnach werden durchHR-MS Ionenmassen abgesichert und auch zwischen nominal isobaren Eliminierungen z Bvon N2 CO undoder C2H4 kann man klar differenzieren

Mit zunehmender Molmasse kommen jedoch viele Summenformeln in einem experimentellenFehlerbereich von 2ndash5 mmu (milli u) in Frage Bei mz 500 entsprechen 5 mmu einer relativenAbweichung von 10 ppm bei mz 2000 aber nur noch 25 ppm Die Auswahl anSummenformeln im Fehlerintervall wird allerdings oft durch ergaumlnzende Informationeneingeengt Solche Limitierungen ergeben sich aus der Herkunft der Probe (z B nur C H13N und lt 4 O) oder aus dem Isotopenmuster des Molekuumllions (zB 1 Br kein S)

In der Massenspektrometrie kommt der Bestimmung der Summenformel einer unbekanntenSubstanz eine zentrale Bedeutung zu Zwar lassen sich oft schon weitgehende Ruumlckschluumlsseaus dem Isotopenmuster des Molekuumllions ziehen doch eine exakte Massenmessung stellt dieverlaumlszliglichere Information dar da ggf eine Uumlberlagerung des 13C Peaks mit einem [M+H]+

Peak unbekannter Intensitaumlt das Isotopenmuster verfaumllschen Auszligerdem haumlngt der 13C-Gehaltvon der Herkunft der Probe ab was die Bestimmung der Anzahl C-Atome aus dem M+1 Peaklimitiert

Herkunft des Kohlenstoffs 13C

atmosphaumlrisches CO2 1106C3-Pflanzen 1080C4-Pflanzen 1095fossile Stoffe 106-108

Tabelle 4 13C-Gehalt von Kohlenstoff in Abhaumlngigkeit von seiner Herkunft Generell ist der Gehalt derschwereren Isotope in aumlquatorialen Breiten houmlher als in polnahen Regionen

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Ringe plus Doppelbindungen

Wegen der jeweils eigenen Anzahl Valenzen der Elemente berechnet sich die Summe derRinge plus Doppelbindungen r + d (auch Doppelbindungsaumlquivalente DBAuml unsaturationUS) fuumlr ein Molekuumllion der Formel CcHhNnOo nach der Gleichung

r + d = c - 05 h + 05 n + 1Wendet man die Formel auf Pyridin C5H5N an so ergibt sich

r + d = 5 - 05bull5 + 05bull1 + 1 = 5 - 25 + 05 + 1 = 4

Bei Fragmentionen kann der berechnete Wert von r + d auch 05 15 betragen Um denkorrekten Wert zu erhalten rundet man auf die ganze Zahl ab Fuumlr das BenzoylkationC7H5O+ erhaumllt man

r + d = 7 - 05bull5 + 1 = 55

was als r + d = 5 zu interpretieren ist Die Aussage ist dann korrekt wenn man die Fragment-ionen als Carbeniumionen schreibt

O O+

+N N+ +

Treten andere Elemente auf so werden sie nach der Zahl ihrer Valenzen beruumlcksichtigt Sizaumlhlt zu C P zu N S zu O Hal zu H Wenn Elemente houmlhere Valenzen erreichen als in derFormel angenommen werden falsche Werte fuumlr r + d errechnet z B bei SulfoxidenSulfonen Phosphaten Fuumlr jeweils zwei Valenzen mehr als oben angenommen muumlszligte man dieFormel um +1 ergaumlnzen z B Phosphorsaumluretrimethylester C3H9O3P mit 5- statt 3-bindigemPhosphor

r + d = 3 - 45 + 05 + 2 = 1

Man erhaumllt durch diese Rechnung eine Limitierung der Anzahl Strukturvorschlaumlge zu einerSummenformel

Fragmentierungsreaktionen

Ein nicht unwesentlicher Teil der Interpretation von Massenspektren laumlszligt sich durchAnwendung von Zerfallsschemata erreichen Dazu muszlig man die wichtigsten Frag-mentierungsreaktionen verschiedener Ionenspezies kennen Nicht jeder Peak laumlszligt sich sovernuumlnftig erklaumlren Viele Reaktionen sind spezifisch fuumlr eine kleine Gruppe von Ionen ImZweifel ist die Fachliteratur zu Rate zu ziehen Fuumlr die im Kurs abgedeckten Substanzklassenist der Umfang nachfolgender Zusammenstellung ausreichend

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Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen

αααα-Spaltung aktivierter Bindungen

R

O+

α1

α2

RO+

+

O+

R +

α1

α2

Bildung der thermodynamischstabileren Produktpaarung ausIon und Radikal ist bevorzugt

Es wird eine zum Heteroatom α-staumlndigeBindung homolytischgespalten

O+

α

α O+

+ CH3 Das Heteroatom kann

exostaumlndig oder Teileiner Kette sein

O+

H

O+

H

O+

α 15-Hα

O+

+

In alicyclischen Systemen tritt doppelte α-Spaltung unter Umlagerung uumlber distonische Intermediate auf

Als Konkurrenzreaktionwird aber auch die andereProduktpaarung gebildet Deshalb findet man oft zurAbspaltung des Radikals nauch das korrespondierendeIon n+

+

+

R

O

OR

O+

α1

α2

R +

+

α1

α2

Allylspaltung

+

+

+

+

In Alkenen wird bevorzugt die allylische Bindung gespalten wobei das Allylkationgebildet wird

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Alkylspaltung und Olefinverlust aus Alkylkationen

+

+

C2H5

+

C3H7

+ +

- C2H4 28 u

Molekuumllionen mit Alkylketten spalten unselektiv entlang der Kette Alkylradikale abDie gebildeten Alkylkationen gehen Kettenverkuumlrzungen unter Alkenverlust einDaneben treten Isomerisierungen aller Ionenspezies auf

mz 43- CH3

--

Benzylspaltung

+

- C4H9 - C2H2 26 u

mz 77 mz 51

+ +

- C3H7

In Alkylaromaten wird bevorzugt die benzylische Bindung gespalten Es treten die typischen Ionen mz 91 77 65 51 39 oder deren Homologeauf Das Ausmaszlig der Isomerisierung ist verschieden Diese Serie kann aber auch aus nichtaromatischen Ionen gebildet werden wenn die Summenformel C7H7 zustande kommt

- C2H2 26 u

+

+ + +

mz 91 mz 65

- C2H2 26 u

C3H3+

mz 39

+

Die Spaltung der phenylischen Bindung fuumlhrt zu den Ionen bei mz 77 51 Sie ist beiAlkylaromaten weniger bevorzugt

Benzoylverbindungen dagegen bilden durch αminusSpaltung zunaumlchstdas Benzoylkation das unter CO-Verlust zu mz 77 51 weiterfragmentiert

O

R ++

mz 51mz 77

- C2H2 26 u

+

- R

α

+O

- CO 28 u

mz 105

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McLafferty-Umlagerung (ββββ-Spaltung mit γγγγ-H-Transfer)

OH R+

ORH+

15-H OH R+

+

In Molekuumllionen mit C=X-Doppelbindung tritt McLafferty-Umlagerung auf wenn ein γ-H-Atomuumlber die Sechsringkonformation auf X uumlbertragen werden kann Es tritt Alkenverlust aufMan kann die Umlagerung auch konzertiert formulieren

a)

b)

N

H R

+15-H-

N

R+

NR

++

In closed-shell Ionen wird ein analoger Prozeszlig beobachtet Onium-Ionen eliminieren einAlken-Molekuumll unter Bildung eines neuen Onium-Ions

c)

H

R + R

HH

+ HH

+

mz 92

+

R

Alkylaromaten bilden neben der Benzylspaltung mz 92oder Homologe durch McLafferty-Umlagerung DasIon mz 92 ist ein Isomer des Toluol-Molekuumllions

15-H

Eine andere Moumlglichkeit ein Alken aus dem Molekuumllion zu eliminieren ist die

AB

+

A B++

+BAA

B

+

+

Molekuumllionen und closed-shellIonen mit einem Sechsringsystemdas eine Doppelbindung enthaumlltgehen RDA ein Die Dien-Komponentetraumlgt bevorzugt die LadungEs koumlnnen Heteroatome enthalten sein

Retro-Diels-Alder-Reaktion RDA

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R

++N

R

H

Onium-Reaktion

+ HN

Onium-Ionen zeigen Alkenverluste unter Abspaltung des gesamten AlkylrestesDas uumlbertragene H kann aus der ganzen Kette stammen Der Mechanismus isteigentlich komplizierter es treten intermediaumlr Ion-Molekuumll-Komplexe aufWegen der Delokalisierung der Ladung sind sowohl die C=X+-R als auch die R-C+-X-Bindung moumlgliche Positionen fuumlr die Onium-Rkt

a)

c)

OR

+OH+

+R

OR+

+

Vor allem Oxonium-Ionen zeigen neben Alkenverlust auch Aldehydverlust da die Differenz der Protonenaffinitaumlten von Aldehyd und Carbenium-Ion relativ gering istBei genuumlgender innerer Energie gehen alle Onium-Ionen beide Reaktionen ein

b)

NH2R+

+NH2R

R NH2++

OH +O

H

H

+

CO-Verlust aus Phenolen

- CO

mz 9428 u

mz 66

+

+

mz 65

- H

CO-Verlust tritt auszligerdem bei anderen ungesaumlttigten cyclischen Ketonen und beiAcylium-Ionen auf CO-Verlust kann eine thermische Rkt vor der Ionisation sein

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ortho-Effekt oder Retro-14-Addition

OMe

H

O

4

1

+ O+

- MeOH

Bei ortho-substituierten Benzol- und bei 18-substituierten Naphthalinderivatenkoumlnnen Fragmentierungen auftreten die nur durch Wechselwirkung beider Sub-stituenten moumlglich werden Dazu gehoumlren auch OH-Verluste aus Nitroaromaten

Referenzspektren

Anhand von Referenzspektren lassen sich gut substanzklassenspezifische Charakteristikaerkennen Deshalb kommt Spektrenbibliotheken eine groumlszligere Bedeutung als nur die direkteIdentifizierung einer unbekannten Verbindung zu

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NISTEPANIH Mass Spectral Data Base 1998

Tabellen charakteristischer Fragmentionen und MassendifferenzenZur Beachtung

Diese Tabellen sind mit Vorsicht zu genieszligen Es gibt sicher noch viele andere isobareFragmentionen und Massendifferenzen Auszligerdem laumlszligt man sich all zu leicht auf einenbestimmten Interpretationsansatz festlegen

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

30 Amine primaumlre Amine falls

intensiver als homologe

Iminium-Ionen

NH2+

30 Nitroverbindungen NO+

31 Alkohole Ether Acetale wenn intensivstes der

Oxonium-Ionen prim

Alkohol

OH+

32 Sauerstoff meist Untergrund [O2]+

32 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [S]+

33 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [HS]+

34 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [H2S]+

35 Chlorverbindungen plus Isotop 37Cl [Cl]+

36 Chlorverbindungen HCl plus Isotop 37Cl [HCl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 8: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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Abb 8 Das VG ZAB-2F und das neuere Jeol JMS-700 des Organisch-Chemischen Instituts sind typische BE-Sektorfeldgeraumlte Die Abbildung zeigt das Schema des ZAB-2F

Flugbahn im homogenen MagnetfeldDie Feldlinien des magnetischen Sektorfeldes mit der Feldstaumlrke B stehen senkrecht zurBewegungsrichtung der Ionen Als Folge der Lorentz-Kraft laufen die Ionen auf einer Kreis-bahn deren Radius rm durch Gleichheit von Lorentz-Kraft und Zentrifugalkraft bestimmt istFuumlr einfach geladene Ionen gilt und senkrechten Eintritt ins Magnetfeld laumlszligt sich vereinfachtdie skalare Beziehung schreiben

e Bv = m vr

r = mvB e

2

m

m

Der Bahnradius im B-Sektor ist also dem Impuls p = m v der Teilchen proportionalUmformen nach me liefert

me

r Bv

m=

Nach Einsetzen von v erhaumllt man

me

r B meU

=2

und darausme

= r B 2U

m2 2

Diese Gleichung ist auch als massenspektrometrische Grundgleichung bekannt Wegen derVielzahl von in der MS-Praxis genutzten Analysatortypen gibt es aber eigentlich nicht mehrnur eine Grundgleichung

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Flugbahn im elektrischen FeldIm elektrischen Feld der Feldstaumlrke E fliegen die Ionen auf einer Kreisbahn deren Radiusbestimmt wird durch die Beziehung

e E = mvr

r = m ve E

r = 2UE

2

e

e 2

e

Das elektrische Feld wirkt als Energiefilter Da es die Energieunschaumlrfe der Ionen eliminiertwird die erreichbare Massenaufloumlsung eines doppelfokussierenden Sektorfeldgeraumltesgegenuumlber einem reinen B-Sektorfeldgeraumlt um ein Vielfaches erhoumlht

AufloumlsungsvermoumlgenAls Massenaufloumlsung oder Aufloumlsungsvermoumlgen R (resolution) definiert man R = M∆MDabei kann ∆M von Peaktop zu Peaktop durch die Peakbreite bei 10 Houmlhe (10 Tal-Definition seltener bei 5 Houmlhe) oder bei 50 Houmlhe (Full width at half maximum FWHM)gemessen werden Es gilt 18R10 = RFWHM Durch Variation der Spaltweiten laumlszligt sich dieAufloumlsung eines guten Sektorfeldgeraumltes im Bereich von ca 500ndash50000 variieren SteigendeAufloumlsung verringert allerdings betraumlchtlich die Transmission

Abb 9 Die verschiedenen Definitionen der Aufloumlsung in der MS

Metastabile Ionen und Stoszligaktivierungs-MSInstabile IonenDie meisten Molekuumllionen zerfallen schon 10-12ndash10-6 s nach der Ionisation als Folge ihrerhohen inneren Energie Da die Verweilzeit im Ionisationsvolumen etwa 10-6 s betraumlgt werdennur noch deren Zerfallsprodukte in das Beschleunigungsfeld eintreten und schlieszliglich

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detektiert werden Ionen mit einer Lebensdauer lt 10-6 s werden in der MS deshalb alsinstabile Ionen bezeichnet

Stabile IonenMolekuumllionen mit geringer innerer Energie koumlnnen keine Zerfallsschwelle uumlberwinden Wennsie in einem Potentialminimum existieren sind sie unter den Bedingungen des Massen-spektrometers (bei lt 10-6 mbar isoliert in der Gasphase) stabil

Metastabile IonenNicht alle die Ionenquelle verlassenden Ionen uumlberleben die Flugzeit bis zum Detektormanche zerfallen im Transit Diese Ionen werden als metastabile Ionen bezeichnet Man kanndefinieren metastabile Ionen haben eine Lebensdauer in der Groumlszligenordnung von 10ndash6ndash10ndash5 s

Scantechnik beim SektorfeldgeraumltDa der Radius des B-Sektors und Ekin der Ionen festgelegt sind variiert man zur Aufnahmevon Massenspektren der in der Ionenquelle gebildeten Ionen die magnetische Feldstaumlrke Bsog B-Scan oder M-Scan Uumlblich sind Scanraten von 1ndash10 sDecade z B mz 50ndash500 in 5 sbei 5 sDecade Eine andere Methode ist die proportionale Variation von Beschleunigungs-spannung und ESA-Spannung sog E-Scan oder HV-Scan Wegen der damit verbundenenDefokussierung der Ionenquelle kann nur ein kleinerer Massenbereich ca 50 des amMagneten eingestellten mz-Wertes abgedeckt werden

Zerfaumlllt ein metastabiles Ion der Masse m1 d h nachdem es die volle Beschleunigungs-spannung durchlaufen hat in einer feldfreien Region (FFR) vor dem B-Sektor in eingeladenes Bruchstuumlck der Masse m2 und ein ungeladenes der Masse n = (m1-m2) dann fliegendie Produkte m2 und n mit der unveraumlnderten Geschwindigkeit v1 = v2 weiter

v = 2eUm

11

Der Bahnradius r2 des geladenen Bruchstuumlckes m2 beim Durchfliegen des B-Sektors ist

= me B

2 1r2v

Nach Einsetzen von v1 erhaumllt man

r2 22

1 = 1

B 2 m U

m eDas Bruchstuumlck der Masse m2 wird demnach bei einer effektiven Massenzahl

m = m22 m1

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im Massenspektrum registriert sofern es sich um ein B- oder EB-Geraumlt handelt BE-Geraumltezeigen keine metastabilen Ionen im Spektrum da diese wegen ihrer verringerten kinetischenEnergie nicht den E-Sektor passieren koumlnnenDie Untersuchung metastabiler Ionen ist eine wichtige Methode in der Chemie isolierter Ionenin der Gasphase Deshalb wurde eine Vielzahl von Scantechniken fuumlr Sektorfeldmassen-spektrometer entwickelt die es erlauben die Zerfaumllle metastabiler Ionen in einer FFR vor demB-Sektor oder auch vor dem E-Sektor zu registrieren Daraus lassen sich Informationen uumlberintrinsische Eigenschaften der Ionen und uumlber Zerfallsmechanismen gewinnen Auch fuumlrlineare Quadrupol- Quadrupol-Ionenfallen- ICR- und TOF-Massenspektrometer gibt esTechniken zur Untersuchung isolierter Ionen auf die hier aber nicht naumlher eingegangenwerden kann Generell bezeichnet man diese Techniken als Tandem-MS MSMS oder MSnda inzwischen auch mehrstufige MS-Experimente realisiert werden koumlnnenBeim Einsatz der sanften Ionisationsmethoden werden nahezu ausschlieszliglich stabileMolekuumllionen erzeugt Um dennoch Strukturinformation zu erhalten kann man dieFragmentierung durch Stoszligaktivierung (collisionally induced dissociation CID collisionalactivation CA) erzwingen Dazu wird der Ionenstrahl durch eine Stoszligkammer mit einemneutralen Stoszliggas (He Ar N2) geschickt Die Umgebung der Stoszligkammer wird durch dasdifferentielle Pumpsystem unter Hochvakuum gehalten Bei den hochenergetischen Stoumlszligenmit den Gasatomen werden die Ionen aumlhnlich angeregt wie bei der EI-Ionisation DieFragmentionen werden dann mittels Tandem-MS analysiert

Detektor

Der einfachste Detektor ist ein Faraday cup ein kleiner Metallbecher der die Ionen sammeltund sich dabei elektrisch auflaumldt Die Ladung flieszligt uumlber einen Widerstand von 10ndash100 MΩab uumlber den der Spannungsabfall gemessen und nach Verstaumlrkung registriert wird DiesesSystem wird nur noch in der Isotopen-MS eingesetzt

Heute werden oft Sekundaumlrelektronen-Vervielfacher (SEV secondary electron multiplierSEM) benutzt Der Ionenstrahl trifft auf eine Konversionsdynode aus einemHalbleitermaterial dadurch werden Elektronen freigesetzt die auf die naumlchste Dynode hinbeschleunigt werden Uumlber 14ndash17 Stufen uumlber die insgesamt 1ndash3 kV anliegen wird so eineVerstaumlrkungskaskade ausgeloumlst (Faktor 106ndash108) Der Strom wird verstaumlrkt und in einSpannungssignal umgewandelt

Anstelle einzelner Dynoden kann man eine kontinuierliche Bauart des SEV verwenden dasChanneltron Das Channeltron ist ein kleines gebogenes Houmlrnchen uumlber das vom Eintritt biszum Ende 1ndash3 kV angelegt werden

Schneidet man ein Buumlndel tausender zusammengesinterter Glaskapillaren mit entsprechenderBeschichtung der Innenwaumlnde in duumlnne Scheiben entsteht eine Anordnung bei der jeder

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dieser feinen Kanaumlle wie ein kleines Channeltron wirkt Dies ist eine sog Microchannel plate(MCP ca 2ndash5 cm Durchmesser) Die groszlige Oberflaumlche erlaubt eine sehr empfindlicheDetektion eintreffender Ionen uumlber einen groszligen Raumwinkel (vorteilhaft bei TOF-MS)

Anstatt das Signal der gesamten MCP zusammenzufassen kann man es auch ortsaufgeloumlstregistrieren Solch ein Array-Detektor kann simultan einen bestimmten Massenbereich ( ca5ndash10 des eingestellten mz eines Sektorfeldgeraumlts) in 512ndash2048 Kanaumlle detektieren und soeine im Vergleich zum SEV 100-fach houmlhere Empfindlichkeit erreichen

DatensystemDie Leistungsfaumlhigkeit moderner Massenspektrometer wird zu einem nicht unerheblichen Teildurch das zur Meszligdatenerfassung und -auswertung verwendete Datensystem bestimmt Auchdie Geraumltesteuerung wird bei modernen Systemen ausschlieszliglich uumlber den Rechner ab-gewickelt Gute Software kann einen gewaltigen Beitrag zu Probendurchsatz undQualitaumltssicherung beisteuern (Leider fuumlhren fully automated and easy to use-Geraumlte nichtselten zu einem gewissen Dilettantismus in der MS)

Grundlagen der Spektreninterpretation

Isotopie der ElementeDie meisten Elemente sind keine Reinelemente d h sie kommen nicht monoisotopisch vorMan kann grob folgende massenspektrometrisch relevante Gruppen einteilen (fuumlr die uumlbrigenElemente sei auf die gaumlngige MS-Literatur verwiesen)

1 Reinelemente wie 19F 31P 127I oder 133Cs

2 Elemente mit einem Hauptisotop und ein oder zwei Begleitisotopen von sehr geringerHaumlufigkeit (lt 03 ) Dazu gehoumlren 1H 14N 16O Fuumlr die meisten Zwecke lassen sie sich wiedie Reinelemente beruumlcksichtigen

3 Elemente mit einem Hauptisotop und ein oder zwei Begleitisotopen von geringerHaumlufigkeit (lt 5 ) Dazu gehoumlren 12C 28Si und 32S

4 Elemente die mit zwei Isotopen vergleichbarer Haumlufigkeit auftreten wie 10B 11B oder dieHalogene 35Cl 37Cl und 79Br 81Br

5 Elemente mit mehreren Isotopen und relativ gleichmaumlszligiger Verteilung wie Hg Sn Ru etc

Information aus den IsotopenpeaksDie Haumlufigkeit der Molekuumlle die ein Molgewicht haben das 1 2 3 oder mehr Massen-einheiten uumlber dem Molgewicht des monoisotopischen Molekuumlls liegt haumlngt ab von derAnzahl der vorhandenen Atome und von der relativen Haumlufigkeit der Isotope in denbeteiligten Elementen

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Element M M+1 M+2Masse Masse Masse

H 1 100 2 0015 - -B 10 248 11 100 - -C 12 100 13 11 - -N 14 100 15 037 - -O 16 100 17 004 18 020F 19 100 - - - -Si 28 100 29 51 30 34P 31 100 - - - -S 32 100 33 08 34 44Cl 35 100 - - 37 320Br 79 100 - - 81 980I 127 100 - - - -

Tabelle 1 Isotopenverteilung einiger Elemente normiert auf das haumlufigste Isotop Es wurden nur die in der MSrelevanten Isotope der Elemente aufgefuumlhrt

Der 13C-PeakZwar hat jedes C-Atom nur zu 11 die Chance als 13C aufzutreten doch beim Kohlenstoffist 13C relevant da oft eine groszlige Zahl von C-Atomen in einem Molekuumll vorkommt ImMethan betraumlgt die Intensitaumlt des M+1 Peaks bei mz 17 daher etwa 11 der Intensitaumlt desPeaks bei mz 16 im Hexan hat M+1 mz 73 ca 66 der Intensitaumlt von mz 72

M+1 M+2 M+1 M+2 M+3C1 11 0 C20 22 23 02C2 22 001 C30 33 52 05C4 44 007 C40 44 94 13C6 66 018 C50 55 15 15

C10 110 054 C60 66 21 46C14 154 11 C100 110 60 22

Tabelle 2 Beitraumlge zum M+1 M+2 und M+3 Signal in rel des monoisotopischen Signals durch 13C-Anteil inCn-Verbindungen

M+2 ElementeBei Elementen die hauptsaumlchlich ein schweres Isotop in groumlszligerer Haumlufigkeit enthalten wieSchwefel Silicium Chlor und Brom kann die Isotopenverteilung nach folgendem verein-fachten Ausdruck berechnet werden

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(a + b)n

a ist die relative Haumlufigkeit des leichten Isotopsb ist die relative Haumlufigkeit des schweren Isotopsn ist die Anzahl der Atome des betrachteten Elements im Molekuumll

Si und S zeigen kleine aber deutliche Isotopenpeaks die einen Ruumlckschluszlig auf dasVorhandensein dieser Elemente erlauben Bei Cl und Br schlieszliglich machen die Isotopenpeaksderen Anwesenheit unverkennbarBesonders bei Si und S koumlnnen Uumlberlagerungen mit dem 13C- oder anderen Mustern leichtzum Verwischen fuumlhren Man beachte auszligerdem daszlig die Halogene M M+2 M+4 M+6liefern waumlhrend der Abstand bei Si und S nur 1 u betraumlgt In allen Faumlllen muszlig x (Abb 10)mindestens der Masse der Elementkombination entsprechen z B x = 70 bei Cl2 sonst kannes sich nicht um ein Isotopenmuster handeln

Si Si2 Si3

x +2 x +2 x +2

5134

1071

1511

x +2 x +2

S S2

44 88

Abb 10 Die wichtigsten Isotopenmuster der organischen MS Hier sind die Muster der jeweiligen Elemente sogezeigt wie sie sich ohne Uumlberlagerung mit dem Isotopenmuster des Kohlenstoffs ergeben

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exakteIsotopenmasse

relativeHaumlufigkeit

Massen-uumlberschuszlig

relativeAtommasse

Isotop Nominal-masse

amu mmu amu

1H 1 1007825 99985 782 100792H 2 2014102 0015 141010B 10 10012938 199 1294 1081111B 11 11009305 801 93012C 12 12000000 9890 0 1201113C 13 13003355 110 33514N 14 14003074 99634 307 14006715N 15 15000109 0366 01116O 16 15994915 99762 -508 15999417O 16 16999131 0038 -08618O 18 17999159 0200 -08419F 19 18998403 1000 -159 189984

23Na 23 22989770 1000 -1023 22989828Si 28 27976928 9223 -2307 28085529Si 29 28976496 467 -235030Si 30 29973772 310 -262331P 31 30973763 1000 -2623 30973832S 32 31972072 9502 -2792 3206633S 33 32971459 075 -285434S 34 33967868 421 -3213

35Cl 35 34968853 7577 -3114 35452737Cl 37 36965903 2423 -341039K 39 38963708 932581 -3629 39098340K 40 39963999 00117 -360041K 41 40961825 67302 -381879Br 79 78918336 5069 -8165 7990481Br 81 80916290 4931 -8365127J 127 126904477 1000 -9564 1269044

Tabelle 3 Isotopenhaumlufigkeit exakte Isotopenmassen und relative chemische Atommassen einiger Elemente

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Hochaufloumlsende Massenspektrometrie und exakte Masse

Die relativen Atommassen sind nach IUPAC auf Kohlenstoff bezogen Genauer eineatomare Masseneinheit equiv 1 u equiv 112 der Masse des Kohlenstoffisotops 12C Neben u sind auchdie Bezeichnungen amu (atomic mass unit) und Da (Dalton) in Gebrauch(Die Definition vor 1961 war 1 Masseneinheit ME equiv 116 der Masse Sauerstoffisotops 16ODamit ergeben sich geringfuumlgig andere Atommassen Man muszlig deshalb auf das Erscheinungs-jahr von Massentabellen achten)

MassendefektDie Differenz von exakter Masse zu Nominalmasse wird als Massendefekt (mass deficiency)bzw Massenuumlberschuszlig bezeichnet Alkane und Alkylionen besitzen wegen ihres hohen 1H-Gehalts den groumlszligten Massenuumlberschuszlig dann folgen Amide und Peptide Polyether undPolyalkohole wie Oligosaccharide Kohlenstoff als 12C hat definitionsgemaumlszlig keinenMassendefekt Massendefekte werden oft in halogenierten Verbindungen und generell beimVorliegen von Schweratomen beobachtet Bereits ab mz 500 kann man mit Nominalmassen(H 1 u C 12 u O 16 u ) schon deutlich falsch liegen Das Molkuumllion von C36H74 mz5065790 ist nominal noch mz 506 wuumlrde aber von einem Datensystem ggf zu mz 507aufgerundet Deshalb ist auch bei Verwendung der Nominalmasse eine Dezimalstelleangebracht z B mz 5066

-04-02

002040608

112141618

222242628

3

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

nominale Molmasse (amu)

Mas

send

efek

t (am

u) KohlenstoffNylon-66PEGPTFEPVCPE

Abb 11 Zu bestimmten Gruppen von Summenformeln gehoumlren charakteristische MassendefekteIm Falle von elementarem Kohlenstoff zB bei Fullerenen ist der Wert immer 0 amu Typischeorganische Verbindungen dagegen zeigen Werte von 05-10 amu pro 1000 amu TretenUumlbergangsmetalle oder Halogene auf ist der Wert deutlich verringert und kann sogar unter dieNominalmasse fallen zB bei PFK

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Bestimmung der SummenformelMit doppelfokussierenden Magnetsektorfeldgeraumlten sind Massenaufloumlsungen uumlber 10000 zuerreichen (high resolution HR) So lassen sich Gemische isotopomerer Ionen gleicherNominalmasse wegen ihrer unterschiedlichen exakten Massen trennen und den isotopischenZusammensetzungen zuordnen vorausgesetzt es gelingt eine Zuordnung der Peaks zu einerexakten Masse Dazu verwendet man eine Kalibriersubstanz mit Signalen bekannter exakterMassen als interne Standardisierung der Massenskala Perfluorkerosin (PFK) und andereperfluorierte Verbindungen werden fuumlr die externe Kalibrierung und auch als internerMassenstandard in der EI-HR-MS eingesetzt da sie Ionen mit deutlichem Massendefektbilden die normalerweise leicht von den zu untersuchenden Ionen getrennt werden Ohneinternen Standard waumlre z B bei Auftreten von nur einem der beiden Signale nicht zwischen40Ar+ mz 399624 und C3H4+ mz 400313 zu unterscheiden Demnach werden durchHR-MS Ionenmassen abgesichert und auch zwischen nominal isobaren Eliminierungen z Bvon N2 CO undoder C2H4 kann man klar differenzieren

Mit zunehmender Molmasse kommen jedoch viele Summenformeln in einem experimentellenFehlerbereich von 2ndash5 mmu (milli u) in Frage Bei mz 500 entsprechen 5 mmu einer relativenAbweichung von 10 ppm bei mz 2000 aber nur noch 25 ppm Die Auswahl anSummenformeln im Fehlerintervall wird allerdings oft durch ergaumlnzende Informationeneingeengt Solche Limitierungen ergeben sich aus der Herkunft der Probe (z B nur C H13N und lt 4 O) oder aus dem Isotopenmuster des Molekuumllions (zB 1 Br kein S)

In der Massenspektrometrie kommt der Bestimmung der Summenformel einer unbekanntenSubstanz eine zentrale Bedeutung zu Zwar lassen sich oft schon weitgehende Ruumlckschluumlsseaus dem Isotopenmuster des Molekuumllions ziehen doch eine exakte Massenmessung stellt dieverlaumlszliglichere Information dar da ggf eine Uumlberlagerung des 13C Peaks mit einem [M+H]+

Peak unbekannter Intensitaumlt das Isotopenmuster verfaumllschen Auszligerdem haumlngt der 13C-Gehaltvon der Herkunft der Probe ab was die Bestimmung der Anzahl C-Atome aus dem M+1 Peaklimitiert

Herkunft des Kohlenstoffs 13C

atmosphaumlrisches CO2 1106C3-Pflanzen 1080C4-Pflanzen 1095fossile Stoffe 106-108

Tabelle 4 13C-Gehalt von Kohlenstoff in Abhaumlngigkeit von seiner Herkunft Generell ist der Gehalt derschwereren Isotope in aumlquatorialen Breiten houmlher als in polnahen Regionen

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Ringe plus Doppelbindungen

Wegen der jeweils eigenen Anzahl Valenzen der Elemente berechnet sich die Summe derRinge plus Doppelbindungen r + d (auch Doppelbindungsaumlquivalente DBAuml unsaturationUS) fuumlr ein Molekuumllion der Formel CcHhNnOo nach der Gleichung

r + d = c - 05 h + 05 n + 1Wendet man die Formel auf Pyridin C5H5N an so ergibt sich

r + d = 5 - 05bull5 + 05bull1 + 1 = 5 - 25 + 05 + 1 = 4

Bei Fragmentionen kann der berechnete Wert von r + d auch 05 15 betragen Um denkorrekten Wert zu erhalten rundet man auf die ganze Zahl ab Fuumlr das BenzoylkationC7H5O+ erhaumllt man

r + d = 7 - 05bull5 + 1 = 55

was als r + d = 5 zu interpretieren ist Die Aussage ist dann korrekt wenn man die Fragment-ionen als Carbeniumionen schreibt

O O+

+N N+ +

Treten andere Elemente auf so werden sie nach der Zahl ihrer Valenzen beruumlcksichtigt Sizaumlhlt zu C P zu N S zu O Hal zu H Wenn Elemente houmlhere Valenzen erreichen als in derFormel angenommen werden falsche Werte fuumlr r + d errechnet z B bei SulfoxidenSulfonen Phosphaten Fuumlr jeweils zwei Valenzen mehr als oben angenommen muumlszligte man dieFormel um +1 ergaumlnzen z B Phosphorsaumluretrimethylester C3H9O3P mit 5- statt 3-bindigemPhosphor

r + d = 3 - 45 + 05 + 2 = 1

Man erhaumllt durch diese Rechnung eine Limitierung der Anzahl Strukturvorschlaumlge zu einerSummenformel

Fragmentierungsreaktionen

Ein nicht unwesentlicher Teil der Interpretation von Massenspektren laumlszligt sich durchAnwendung von Zerfallsschemata erreichen Dazu muszlig man die wichtigsten Frag-mentierungsreaktionen verschiedener Ionenspezies kennen Nicht jeder Peak laumlszligt sich sovernuumlnftig erklaumlren Viele Reaktionen sind spezifisch fuumlr eine kleine Gruppe von Ionen ImZweifel ist die Fachliteratur zu Rate zu ziehen Fuumlr die im Kurs abgedeckten Substanzklassenist der Umfang nachfolgender Zusammenstellung ausreichend

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Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen

αααα-Spaltung aktivierter Bindungen

R

O+

α1

α2

RO+

+

O+

R +

α1

α2

Bildung der thermodynamischstabileren Produktpaarung ausIon und Radikal ist bevorzugt

Es wird eine zum Heteroatom α-staumlndigeBindung homolytischgespalten

O+

α

α O+

+ CH3 Das Heteroatom kann

exostaumlndig oder Teileiner Kette sein

O+

H

O+

H

O+

α 15-Hα

O+

+

In alicyclischen Systemen tritt doppelte α-Spaltung unter Umlagerung uumlber distonische Intermediate auf

Als Konkurrenzreaktionwird aber auch die andereProduktpaarung gebildet Deshalb findet man oft zurAbspaltung des Radikals nauch das korrespondierendeIon n+

+

+

R

O

OR

O+

α1

α2

R +

+

α1

α2

Allylspaltung

+

+

+

+

In Alkenen wird bevorzugt die allylische Bindung gespalten wobei das Allylkationgebildet wird

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Alkylspaltung und Olefinverlust aus Alkylkationen

+

+

C2H5

+

C3H7

+ +

- C2H4 28 u

Molekuumllionen mit Alkylketten spalten unselektiv entlang der Kette Alkylradikale abDie gebildeten Alkylkationen gehen Kettenverkuumlrzungen unter Alkenverlust einDaneben treten Isomerisierungen aller Ionenspezies auf

mz 43- CH3

--

Benzylspaltung

+

- C4H9 - C2H2 26 u

mz 77 mz 51

+ +

- C3H7

In Alkylaromaten wird bevorzugt die benzylische Bindung gespalten Es treten die typischen Ionen mz 91 77 65 51 39 oder deren Homologeauf Das Ausmaszlig der Isomerisierung ist verschieden Diese Serie kann aber auch aus nichtaromatischen Ionen gebildet werden wenn die Summenformel C7H7 zustande kommt

- C2H2 26 u

+

+ + +

mz 91 mz 65

- C2H2 26 u

C3H3+

mz 39

+

Die Spaltung der phenylischen Bindung fuumlhrt zu den Ionen bei mz 77 51 Sie ist beiAlkylaromaten weniger bevorzugt

Benzoylverbindungen dagegen bilden durch αminusSpaltung zunaumlchstdas Benzoylkation das unter CO-Verlust zu mz 77 51 weiterfragmentiert

O

R ++

mz 51mz 77

- C2H2 26 u

+

- R

α

+O

- CO 28 u

mz 105

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McLafferty-Umlagerung (ββββ-Spaltung mit γγγγ-H-Transfer)

OH R+

ORH+

15-H OH R+

+

In Molekuumllionen mit C=X-Doppelbindung tritt McLafferty-Umlagerung auf wenn ein γ-H-Atomuumlber die Sechsringkonformation auf X uumlbertragen werden kann Es tritt Alkenverlust aufMan kann die Umlagerung auch konzertiert formulieren

a)

b)

N

H R

+15-H-

N

R+

NR

++

In closed-shell Ionen wird ein analoger Prozeszlig beobachtet Onium-Ionen eliminieren einAlken-Molekuumll unter Bildung eines neuen Onium-Ions

c)

H

R + R

HH

+ HH

+

mz 92

+

R

Alkylaromaten bilden neben der Benzylspaltung mz 92oder Homologe durch McLafferty-Umlagerung DasIon mz 92 ist ein Isomer des Toluol-Molekuumllions

15-H

Eine andere Moumlglichkeit ein Alken aus dem Molekuumllion zu eliminieren ist die

AB

+

A B++

+BAA

B

+

+

Molekuumllionen und closed-shellIonen mit einem Sechsringsystemdas eine Doppelbindung enthaumlltgehen RDA ein Die Dien-Komponentetraumlgt bevorzugt die LadungEs koumlnnen Heteroatome enthalten sein

Retro-Diels-Alder-Reaktion RDA

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R

++N

R

H

Onium-Reaktion

+ HN

Onium-Ionen zeigen Alkenverluste unter Abspaltung des gesamten AlkylrestesDas uumlbertragene H kann aus der ganzen Kette stammen Der Mechanismus isteigentlich komplizierter es treten intermediaumlr Ion-Molekuumll-Komplexe aufWegen der Delokalisierung der Ladung sind sowohl die C=X+-R als auch die R-C+-X-Bindung moumlgliche Positionen fuumlr die Onium-Rkt

a)

c)

OR

+OH+

+R

OR+

+

Vor allem Oxonium-Ionen zeigen neben Alkenverlust auch Aldehydverlust da die Differenz der Protonenaffinitaumlten von Aldehyd und Carbenium-Ion relativ gering istBei genuumlgender innerer Energie gehen alle Onium-Ionen beide Reaktionen ein

b)

NH2R+

+NH2R

R NH2++

OH +O

H

H

+

CO-Verlust aus Phenolen

- CO

mz 9428 u

mz 66

+

+

mz 65

- H

CO-Verlust tritt auszligerdem bei anderen ungesaumlttigten cyclischen Ketonen und beiAcylium-Ionen auf CO-Verlust kann eine thermische Rkt vor der Ionisation sein

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ortho-Effekt oder Retro-14-Addition

OMe

H

O

4

1

+ O+

- MeOH

Bei ortho-substituierten Benzol- und bei 18-substituierten Naphthalinderivatenkoumlnnen Fragmentierungen auftreten die nur durch Wechselwirkung beider Sub-stituenten moumlglich werden Dazu gehoumlren auch OH-Verluste aus Nitroaromaten

Referenzspektren

Anhand von Referenzspektren lassen sich gut substanzklassenspezifische Charakteristikaerkennen Deshalb kommt Spektrenbibliotheken eine groumlszligere Bedeutung als nur die direkteIdentifizierung einer unbekannten Verbindung zu

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NISTEPANIH Mass Spectral Data Base 1998

Tabellen charakteristischer Fragmentionen und MassendifferenzenZur Beachtung

Diese Tabellen sind mit Vorsicht zu genieszligen Es gibt sicher noch viele andere isobareFragmentionen und Massendifferenzen Auszligerdem laumlszligt man sich all zu leicht auf einenbestimmten Interpretationsansatz festlegen

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

30 Amine primaumlre Amine falls

intensiver als homologe

Iminium-Ionen

NH2+

30 Nitroverbindungen NO+

31 Alkohole Ether Acetale wenn intensivstes der

Oxonium-Ionen prim

Alkohol

OH+

32 Sauerstoff meist Untergrund [O2]+

32 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [S]+

33 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [HS]+

34 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [H2S]+

35 Chlorverbindungen plus Isotop 37Cl [Cl]+

36 Chlorverbindungen HCl plus Isotop 37Cl [HCl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 9: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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Flugbahn im elektrischen FeldIm elektrischen Feld der Feldstaumlrke E fliegen die Ionen auf einer Kreisbahn deren Radiusbestimmt wird durch die Beziehung

e E = mvr

r = m ve E

r = 2UE

2

e

e 2

e

Das elektrische Feld wirkt als Energiefilter Da es die Energieunschaumlrfe der Ionen eliminiertwird die erreichbare Massenaufloumlsung eines doppelfokussierenden Sektorfeldgeraumltesgegenuumlber einem reinen B-Sektorfeldgeraumlt um ein Vielfaches erhoumlht

AufloumlsungsvermoumlgenAls Massenaufloumlsung oder Aufloumlsungsvermoumlgen R (resolution) definiert man R = M∆MDabei kann ∆M von Peaktop zu Peaktop durch die Peakbreite bei 10 Houmlhe (10 Tal-Definition seltener bei 5 Houmlhe) oder bei 50 Houmlhe (Full width at half maximum FWHM)gemessen werden Es gilt 18R10 = RFWHM Durch Variation der Spaltweiten laumlszligt sich dieAufloumlsung eines guten Sektorfeldgeraumltes im Bereich von ca 500ndash50000 variieren SteigendeAufloumlsung verringert allerdings betraumlchtlich die Transmission

Abb 9 Die verschiedenen Definitionen der Aufloumlsung in der MS

Metastabile Ionen und Stoszligaktivierungs-MSInstabile IonenDie meisten Molekuumllionen zerfallen schon 10-12ndash10-6 s nach der Ionisation als Folge ihrerhohen inneren Energie Da die Verweilzeit im Ionisationsvolumen etwa 10-6 s betraumlgt werdennur noch deren Zerfallsprodukte in das Beschleunigungsfeld eintreten und schlieszliglich

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detektiert werden Ionen mit einer Lebensdauer lt 10-6 s werden in der MS deshalb alsinstabile Ionen bezeichnet

Stabile IonenMolekuumllionen mit geringer innerer Energie koumlnnen keine Zerfallsschwelle uumlberwinden Wennsie in einem Potentialminimum existieren sind sie unter den Bedingungen des Massen-spektrometers (bei lt 10-6 mbar isoliert in der Gasphase) stabil

Metastabile IonenNicht alle die Ionenquelle verlassenden Ionen uumlberleben die Flugzeit bis zum Detektormanche zerfallen im Transit Diese Ionen werden als metastabile Ionen bezeichnet Man kanndefinieren metastabile Ionen haben eine Lebensdauer in der Groumlszligenordnung von 10ndash6ndash10ndash5 s

Scantechnik beim SektorfeldgeraumltDa der Radius des B-Sektors und Ekin der Ionen festgelegt sind variiert man zur Aufnahmevon Massenspektren der in der Ionenquelle gebildeten Ionen die magnetische Feldstaumlrke Bsog B-Scan oder M-Scan Uumlblich sind Scanraten von 1ndash10 sDecade z B mz 50ndash500 in 5 sbei 5 sDecade Eine andere Methode ist die proportionale Variation von Beschleunigungs-spannung und ESA-Spannung sog E-Scan oder HV-Scan Wegen der damit verbundenenDefokussierung der Ionenquelle kann nur ein kleinerer Massenbereich ca 50 des amMagneten eingestellten mz-Wertes abgedeckt werden

Zerfaumlllt ein metastabiles Ion der Masse m1 d h nachdem es die volle Beschleunigungs-spannung durchlaufen hat in einer feldfreien Region (FFR) vor dem B-Sektor in eingeladenes Bruchstuumlck der Masse m2 und ein ungeladenes der Masse n = (m1-m2) dann fliegendie Produkte m2 und n mit der unveraumlnderten Geschwindigkeit v1 = v2 weiter

v = 2eUm

11

Der Bahnradius r2 des geladenen Bruchstuumlckes m2 beim Durchfliegen des B-Sektors ist

= me B

2 1r2v

Nach Einsetzen von v1 erhaumllt man

r2 22

1 = 1

B 2 m U

m eDas Bruchstuumlck der Masse m2 wird demnach bei einer effektiven Massenzahl

m = m22 m1

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im Massenspektrum registriert sofern es sich um ein B- oder EB-Geraumlt handelt BE-Geraumltezeigen keine metastabilen Ionen im Spektrum da diese wegen ihrer verringerten kinetischenEnergie nicht den E-Sektor passieren koumlnnenDie Untersuchung metastabiler Ionen ist eine wichtige Methode in der Chemie isolierter Ionenin der Gasphase Deshalb wurde eine Vielzahl von Scantechniken fuumlr Sektorfeldmassen-spektrometer entwickelt die es erlauben die Zerfaumllle metastabiler Ionen in einer FFR vor demB-Sektor oder auch vor dem E-Sektor zu registrieren Daraus lassen sich Informationen uumlberintrinsische Eigenschaften der Ionen und uumlber Zerfallsmechanismen gewinnen Auch fuumlrlineare Quadrupol- Quadrupol-Ionenfallen- ICR- und TOF-Massenspektrometer gibt esTechniken zur Untersuchung isolierter Ionen auf die hier aber nicht naumlher eingegangenwerden kann Generell bezeichnet man diese Techniken als Tandem-MS MSMS oder MSnda inzwischen auch mehrstufige MS-Experimente realisiert werden koumlnnenBeim Einsatz der sanften Ionisationsmethoden werden nahezu ausschlieszliglich stabileMolekuumllionen erzeugt Um dennoch Strukturinformation zu erhalten kann man dieFragmentierung durch Stoszligaktivierung (collisionally induced dissociation CID collisionalactivation CA) erzwingen Dazu wird der Ionenstrahl durch eine Stoszligkammer mit einemneutralen Stoszliggas (He Ar N2) geschickt Die Umgebung der Stoszligkammer wird durch dasdifferentielle Pumpsystem unter Hochvakuum gehalten Bei den hochenergetischen Stoumlszligenmit den Gasatomen werden die Ionen aumlhnlich angeregt wie bei der EI-Ionisation DieFragmentionen werden dann mittels Tandem-MS analysiert

Detektor

Der einfachste Detektor ist ein Faraday cup ein kleiner Metallbecher der die Ionen sammeltund sich dabei elektrisch auflaumldt Die Ladung flieszligt uumlber einen Widerstand von 10ndash100 MΩab uumlber den der Spannungsabfall gemessen und nach Verstaumlrkung registriert wird DiesesSystem wird nur noch in der Isotopen-MS eingesetzt

Heute werden oft Sekundaumlrelektronen-Vervielfacher (SEV secondary electron multiplierSEM) benutzt Der Ionenstrahl trifft auf eine Konversionsdynode aus einemHalbleitermaterial dadurch werden Elektronen freigesetzt die auf die naumlchste Dynode hinbeschleunigt werden Uumlber 14ndash17 Stufen uumlber die insgesamt 1ndash3 kV anliegen wird so eineVerstaumlrkungskaskade ausgeloumlst (Faktor 106ndash108) Der Strom wird verstaumlrkt und in einSpannungssignal umgewandelt

Anstelle einzelner Dynoden kann man eine kontinuierliche Bauart des SEV verwenden dasChanneltron Das Channeltron ist ein kleines gebogenes Houmlrnchen uumlber das vom Eintritt biszum Ende 1ndash3 kV angelegt werden

Schneidet man ein Buumlndel tausender zusammengesinterter Glaskapillaren mit entsprechenderBeschichtung der Innenwaumlnde in duumlnne Scheiben entsteht eine Anordnung bei der jeder

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dieser feinen Kanaumlle wie ein kleines Channeltron wirkt Dies ist eine sog Microchannel plate(MCP ca 2ndash5 cm Durchmesser) Die groszlige Oberflaumlche erlaubt eine sehr empfindlicheDetektion eintreffender Ionen uumlber einen groszligen Raumwinkel (vorteilhaft bei TOF-MS)

Anstatt das Signal der gesamten MCP zusammenzufassen kann man es auch ortsaufgeloumlstregistrieren Solch ein Array-Detektor kann simultan einen bestimmten Massenbereich ( ca5ndash10 des eingestellten mz eines Sektorfeldgeraumlts) in 512ndash2048 Kanaumlle detektieren und soeine im Vergleich zum SEV 100-fach houmlhere Empfindlichkeit erreichen

DatensystemDie Leistungsfaumlhigkeit moderner Massenspektrometer wird zu einem nicht unerheblichen Teildurch das zur Meszligdatenerfassung und -auswertung verwendete Datensystem bestimmt Auchdie Geraumltesteuerung wird bei modernen Systemen ausschlieszliglich uumlber den Rechner ab-gewickelt Gute Software kann einen gewaltigen Beitrag zu Probendurchsatz undQualitaumltssicherung beisteuern (Leider fuumlhren fully automated and easy to use-Geraumlte nichtselten zu einem gewissen Dilettantismus in der MS)

Grundlagen der Spektreninterpretation

Isotopie der ElementeDie meisten Elemente sind keine Reinelemente d h sie kommen nicht monoisotopisch vorMan kann grob folgende massenspektrometrisch relevante Gruppen einteilen (fuumlr die uumlbrigenElemente sei auf die gaumlngige MS-Literatur verwiesen)

1 Reinelemente wie 19F 31P 127I oder 133Cs

2 Elemente mit einem Hauptisotop und ein oder zwei Begleitisotopen von sehr geringerHaumlufigkeit (lt 03 ) Dazu gehoumlren 1H 14N 16O Fuumlr die meisten Zwecke lassen sie sich wiedie Reinelemente beruumlcksichtigen

3 Elemente mit einem Hauptisotop und ein oder zwei Begleitisotopen von geringerHaumlufigkeit (lt 5 ) Dazu gehoumlren 12C 28Si und 32S

4 Elemente die mit zwei Isotopen vergleichbarer Haumlufigkeit auftreten wie 10B 11B oder dieHalogene 35Cl 37Cl und 79Br 81Br

5 Elemente mit mehreren Isotopen und relativ gleichmaumlszligiger Verteilung wie Hg Sn Ru etc

Information aus den IsotopenpeaksDie Haumlufigkeit der Molekuumlle die ein Molgewicht haben das 1 2 3 oder mehr Massen-einheiten uumlber dem Molgewicht des monoisotopischen Molekuumlls liegt haumlngt ab von derAnzahl der vorhandenen Atome und von der relativen Haumlufigkeit der Isotope in denbeteiligten Elementen

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Element M M+1 M+2Masse Masse Masse

H 1 100 2 0015 - -B 10 248 11 100 - -C 12 100 13 11 - -N 14 100 15 037 - -O 16 100 17 004 18 020F 19 100 - - - -Si 28 100 29 51 30 34P 31 100 - - - -S 32 100 33 08 34 44Cl 35 100 - - 37 320Br 79 100 - - 81 980I 127 100 - - - -

Tabelle 1 Isotopenverteilung einiger Elemente normiert auf das haumlufigste Isotop Es wurden nur die in der MSrelevanten Isotope der Elemente aufgefuumlhrt

Der 13C-PeakZwar hat jedes C-Atom nur zu 11 die Chance als 13C aufzutreten doch beim Kohlenstoffist 13C relevant da oft eine groszlige Zahl von C-Atomen in einem Molekuumll vorkommt ImMethan betraumlgt die Intensitaumlt des M+1 Peaks bei mz 17 daher etwa 11 der Intensitaumlt desPeaks bei mz 16 im Hexan hat M+1 mz 73 ca 66 der Intensitaumlt von mz 72

M+1 M+2 M+1 M+2 M+3C1 11 0 C20 22 23 02C2 22 001 C30 33 52 05C4 44 007 C40 44 94 13C6 66 018 C50 55 15 15

C10 110 054 C60 66 21 46C14 154 11 C100 110 60 22

Tabelle 2 Beitraumlge zum M+1 M+2 und M+3 Signal in rel des monoisotopischen Signals durch 13C-Anteil inCn-Verbindungen

M+2 ElementeBei Elementen die hauptsaumlchlich ein schweres Isotop in groumlszligerer Haumlufigkeit enthalten wieSchwefel Silicium Chlor und Brom kann die Isotopenverteilung nach folgendem verein-fachten Ausdruck berechnet werden

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(a + b)n

a ist die relative Haumlufigkeit des leichten Isotopsb ist die relative Haumlufigkeit des schweren Isotopsn ist die Anzahl der Atome des betrachteten Elements im Molekuumll

Si und S zeigen kleine aber deutliche Isotopenpeaks die einen Ruumlckschluszlig auf dasVorhandensein dieser Elemente erlauben Bei Cl und Br schlieszliglich machen die Isotopenpeaksderen Anwesenheit unverkennbarBesonders bei Si und S koumlnnen Uumlberlagerungen mit dem 13C- oder anderen Mustern leichtzum Verwischen fuumlhren Man beachte auszligerdem daszlig die Halogene M M+2 M+4 M+6liefern waumlhrend der Abstand bei Si und S nur 1 u betraumlgt In allen Faumlllen muszlig x (Abb 10)mindestens der Masse der Elementkombination entsprechen z B x = 70 bei Cl2 sonst kannes sich nicht um ein Isotopenmuster handeln

Si Si2 Si3

x +2 x +2 x +2

5134

1071

1511

x +2 x +2

S S2

44 88

Abb 10 Die wichtigsten Isotopenmuster der organischen MS Hier sind die Muster der jeweiligen Elemente sogezeigt wie sie sich ohne Uumlberlagerung mit dem Isotopenmuster des Kohlenstoffs ergeben

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exakteIsotopenmasse

relativeHaumlufigkeit

Massen-uumlberschuszlig

relativeAtommasse

Isotop Nominal-masse

amu mmu amu

1H 1 1007825 99985 782 100792H 2 2014102 0015 141010B 10 10012938 199 1294 1081111B 11 11009305 801 93012C 12 12000000 9890 0 1201113C 13 13003355 110 33514N 14 14003074 99634 307 14006715N 15 15000109 0366 01116O 16 15994915 99762 -508 15999417O 16 16999131 0038 -08618O 18 17999159 0200 -08419F 19 18998403 1000 -159 189984

23Na 23 22989770 1000 -1023 22989828Si 28 27976928 9223 -2307 28085529Si 29 28976496 467 -235030Si 30 29973772 310 -262331P 31 30973763 1000 -2623 30973832S 32 31972072 9502 -2792 3206633S 33 32971459 075 -285434S 34 33967868 421 -3213

35Cl 35 34968853 7577 -3114 35452737Cl 37 36965903 2423 -341039K 39 38963708 932581 -3629 39098340K 40 39963999 00117 -360041K 41 40961825 67302 -381879Br 79 78918336 5069 -8165 7990481Br 81 80916290 4931 -8365127J 127 126904477 1000 -9564 1269044

Tabelle 3 Isotopenhaumlufigkeit exakte Isotopenmassen und relative chemische Atommassen einiger Elemente

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Hochaufloumlsende Massenspektrometrie und exakte Masse

Die relativen Atommassen sind nach IUPAC auf Kohlenstoff bezogen Genauer eineatomare Masseneinheit equiv 1 u equiv 112 der Masse des Kohlenstoffisotops 12C Neben u sind auchdie Bezeichnungen amu (atomic mass unit) und Da (Dalton) in Gebrauch(Die Definition vor 1961 war 1 Masseneinheit ME equiv 116 der Masse Sauerstoffisotops 16ODamit ergeben sich geringfuumlgig andere Atommassen Man muszlig deshalb auf das Erscheinungs-jahr von Massentabellen achten)

MassendefektDie Differenz von exakter Masse zu Nominalmasse wird als Massendefekt (mass deficiency)bzw Massenuumlberschuszlig bezeichnet Alkane und Alkylionen besitzen wegen ihres hohen 1H-Gehalts den groumlszligten Massenuumlberschuszlig dann folgen Amide und Peptide Polyether undPolyalkohole wie Oligosaccharide Kohlenstoff als 12C hat definitionsgemaumlszlig keinenMassendefekt Massendefekte werden oft in halogenierten Verbindungen und generell beimVorliegen von Schweratomen beobachtet Bereits ab mz 500 kann man mit Nominalmassen(H 1 u C 12 u O 16 u ) schon deutlich falsch liegen Das Molkuumllion von C36H74 mz5065790 ist nominal noch mz 506 wuumlrde aber von einem Datensystem ggf zu mz 507aufgerundet Deshalb ist auch bei Verwendung der Nominalmasse eine Dezimalstelleangebracht z B mz 5066

-04-02

002040608

112141618

222242628

3

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

nominale Molmasse (amu)

Mas

send

efek

t (am

u) KohlenstoffNylon-66PEGPTFEPVCPE

Abb 11 Zu bestimmten Gruppen von Summenformeln gehoumlren charakteristische MassendefekteIm Falle von elementarem Kohlenstoff zB bei Fullerenen ist der Wert immer 0 amu Typischeorganische Verbindungen dagegen zeigen Werte von 05-10 amu pro 1000 amu TretenUumlbergangsmetalle oder Halogene auf ist der Wert deutlich verringert und kann sogar unter dieNominalmasse fallen zB bei PFK

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Bestimmung der SummenformelMit doppelfokussierenden Magnetsektorfeldgeraumlten sind Massenaufloumlsungen uumlber 10000 zuerreichen (high resolution HR) So lassen sich Gemische isotopomerer Ionen gleicherNominalmasse wegen ihrer unterschiedlichen exakten Massen trennen und den isotopischenZusammensetzungen zuordnen vorausgesetzt es gelingt eine Zuordnung der Peaks zu einerexakten Masse Dazu verwendet man eine Kalibriersubstanz mit Signalen bekannter exakterMassen als interne Standardisierung der Massenskala Perfluorkerosin (PFK) und andereperfluorierte Verbindungen werden fuumlr die externe Kalibrierung und auch als internerMassenstandard in der EI-HR-MS eingesetzt da sie Ionen mit deutlichem Massendefektbilden die normalerweise leicht von den zu untersuchenden Ionen getrennt werden Ohneinternen Standard waumlre z B bei Auftreten von nur einem der beiden Signale nicht zwischen40Ar+ mz 399624 und C3H4+ mz 400313 zu unterscheiden Demnach werden durchHR-MS Ionenmassen abgesichert und auch zwischen nominal isobaren Eliminierungen z Bvon N2 CO undoder C2H4 kann man klar differenzieren

Mit zunehmender Molmasse kommen jedoch viele Summenformeln in einem experimentellenFehlerbereich von 2ndash5 mmu (milli u) in Frage Bei mz 500 entsprechen 5 mmu einer relativenAbweichung von 10 ppm bei mz 2000 aber nur noch 25 ppm Die Auswahl anSummenformeln im Fehlerintervall wird allerdings oft durch ergaumlnzende Informationeneingeengt Solche Limitierungen ergeben sich aus der Herkunft der Probe (z B nur C H13N und lt 4 O) oder aus dem Isotopenmuster des Molekuumllions (zB 1 Br kein S)

In der Massenspektrometrie kommt der Bestimmung der Summenformel einer unbekanntenSubstanz eine zentrale Bedeutung zu Zwar lassen sich oft schon weitgehende Ruumlckschluumlsseaus dem Isotopenmuster des Molekuumllions ziehen doch eine exakte Massenmessung stellt dieverlaumlszliglichere Information dar da ggf eine Uumlberlagerung des 13C Peaks mit einem [M+H]+

Peak unbekannter Intensitaumlt das Isotopenmuster verfaumllschen Auszligerdem haumlngt der 13C-Gehaltvon der Herkunft der Probe ab was die Bestimmung der Anzahl C-Atome aus dem M+1 Peaklimitiert

Herkunft des Kohlenstoffs 13C

atmosphaumlrisches CO2 1106C3-Pflanzen 1080C4-Pflanzen 1095fossile Stoffe 106-108

Tabelle 4 13C-Gehalt von Kohlenstoff in Abhaumlngigkeit von seiner Herkunft Generell ist der Gehalt derschwereren Isotope in aumlquatorialen Breiten houmlher als in polnahen Regionen

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Ringe plus Doppelbindungen

Wegen der jeweils eigenen Anzahl Valenzen der Elemente berechnet sich die Summe derRinge plus Doppelbindungen r + d (auch Doppelbindungsaumlquivalente DBAuml unsaturationUS) fuumlr ein Molekuumllion der Formel CcHhNnOo nach der Gleichung

r + d = c - 05 h + 05 n + 1Wendet man die Formel auf Pyridin C5H5N an so ergibt sich

r + d = 5 - 05bull5 + 05bull1 + 1 = 5 - 25 + 05 + 1 = 4

Bei Fragmentionen kann der berechnete Wert von r + d auch 05 15 betragen Um denkorrekten Wert zu erhalten rundet man auf die ganze Zahl ab Fuumlr das BenzoylkationC7H5O+ erhaumllt man

r + d = 7 - 05bull5 + 1 = 55

was als r + d = 5 zu interpretieren ist Die Aussage ist dann korrekt wenn man die Fragment-ionen als Carbeniumionen schreibt

O O+

+N N+ +

Treten andere Elemente auf so werden sie nach der Zahl ihrer Valenzen beruumlcksichtigt Sizaumlhlt zu C P zu N S zu O Hal zu H Wenn Elemente houmlhere Valenzen erreichen als in derFormel angenommen werden falsche Werte fuumlr r + d errechnet z B bei SulfoxidenSulfonen Phosphaten Fuumlr jeweils zwei Valenzen mehr als oben angenommen muumlszligte man dieFormel um +1 ergaumlnzen z B Phosphorsaumluretrimethylester C3H9O3P mit 5- statt 3-bindigemPhosphor

r + d = 3 - 45 + 05 + 2 = 1

Man erhaumllt durch diese Rechnung eine Limitierung der Anzahl Strukturvorschlaumlge zu einerSummenformel

Fragmentierungsreaktionen

Ein nicht unwesentlicher Teil der Interpretation von Massenspektren laumlszligt sich durchAnwendung von Zerfallsschemata erreichen Dazu muszlig man die wichtigsten Frag-mentierungsreaktionen verschiedener Ionenspezies kennen Nicht jeder Peak laumlszligt sich sovernuumlnftig erklaumlren Viele Reaktionen sind spezifisch fuumlr eine kleine Gruppe von Ionen ImZweifel ist die Fachliteratur zu Rate zu ziehen Fuumlr die im Kurs abgedeckten Substanzklassenist der Umfang nachfolgender Zusammenstellung ausreichend

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Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen

αααα-Spaltung aktivierter Bindungen

R

O+

α1

α2

RO+

+

O+

R +

α1

α2

Bildung der thermodynamischstabileren Produktpaarung ausIon und Radikal ist bevorzugt

Es wird eine zum Heteroatom α-staumlndigeBindung homolytischgespalten

O+

α

α O+

+ CH3 Das Heteroatom kann

exostaumlndig oder Teileiner Kette sein

O+

H

O+

H

O+

α 15-Hα

O+

+

In alicyclischen Systemen tritt doppelte α-Spaltung unter Umlagerung uumlber distonische Intermediate auf

Als Konkurrenzreaktionwird aber auch die andereProduktpaarung gebildet Deshalb findet man oft zurAbspaltung des Radikals nauch das korrespondierendeIon n+

+

+

R

O

OR

O+

α1

α2

R +

+

α1

α2

Allylspaltung

+

+

+

+

In Alkenen wird bevorzugt die allylische Bindung gespalten wobei das Allylkationgebildet wird

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Alkylspaltung und Olefinverlust aus Alkylkationen

+

+

C2H5

+

C3H7

+ +

- C2H4 28 u

Molekuumllionen mit Alkylketten spalten unselektiv entlang der Kette Alkylradikale abDie gebildeten Alkylkationen gehen Kettenverkuumlrzungen unter Alkenverlust einDaneben treten Isomerisierungen aller Ionenspezies auf

mz 43- CH3

--

Benzylspaltung

+

- C4H9 - C2H2 26 u

mz 77 mz 51

+ +

- C3H7

In Alkylaromaten wird bevorzugt die benzylische Bindung gespalten Es treten die typischen Ionen mz 91 77 65 51 39 oder deren Homologeauf Das Ausmaszlig der Isomerisierung ist verschieden Diese Serie kann aber auch aus nichtaromatischen Ionen gebildet werden wenn die Summenformel C7H7 zustande kommt

- C2H2 26 u

+

+ + +

mz 91 mz 65

- C2H2 26 u

C3H3+

mz 39

+

Die Spaltung der phenylischen Bindung fuumlhrt zu den Ionen bei mz 77 51 Sie ist beiAlkylaromaten weniger bevorzugt

Benzoylverbindungen dagegen bilden durch αminusSpaltung zunaumlchstdas Benzoylkation das unter CO-Verlust zu mz 77 51 weiterfragmentiert

O

R ++

mz 51mz 77

- C2H2 26 u

+

- R

α

+O

- CO 28 u

mz 105

- 21 -

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McLafferty-Umlagerung (ββββ-Spaltung mit γγγγ-H-Transfer)

OH R+

ORH+

15-H OH R+

+

In Molekuumllionen mit C=X-Doppelbindung tritt McLafferty-Umlagerung auf wenn ein γ-H-Atomuumlber die Sechsringkonformation auf X uumlbertragen werden kann Es tritt Alkenverlust aufMan kann die Umlagerung auch konzertiert formulieren

a)

b)

N

H R

+15-H-

N

R+

NR

++

In closed-shell Ionen wird ein analoger Prozeszlig beobachtet Onium-Ionen eliminieren einAlken-Molekuumll unter Bildung eines neuen Onium-Ions

c)

H

R + R

HH

+ HH

+

mz 92

+

R

Alkylaromaten bilden neben der Benzylspaltung mz 92oder Homologe durch McLafferty-Umlagerung DasIon mz 92 ist ein Isomer des Toluol-Molekuumllions

15-H

Eine andere Moumlglichkeit ein Alken aus dem Molekuumllion zu eliminieren ist die

AB

+

A B++

+BAA

B

+

+

Molekuumllionen und closed-shellIonen mit einem Sechsringsystemdas eine Doppelbindung enthaumlltgehen RDA ein Die Dien-Komponentetraumlgt bevorzugt die LadungEs koumlnnen Heteroatome enthalten sein

Retro-Diels-Alder-Reaktion RDA

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R

++N

R

H

Onium-Reaktion

+ HN

Onium-Ionen zeigen Alkenverluste unter Abspaltung des gesamten AlkylrestesDas uumlbertragene H kann aus der ganzen Kette stammen Der Mechanismus isteigentlich komplizierter es treten intermediaumlr Ion-Molekuumll-Komplexe aufWegen der Delokalisierung der Ladung sind sowohl die C=X+-R als auch die R-C+-X-Bindung moumlgliche Positionen fuumlr die Onium-Rkt

a)

c)

OR

+OH+

+R

OR+

+

Vor allem Oxonium-Ionen zeigen neben Alkenverlust auch Aldehydverlust da die Differenz der Protonenaffinitaumlten von Aldehyd und Carbenium-Ion relativ gering istBei genuumlgender innerer Energie gehen alle Onium-Ionen beide Reaktionen ein

b)

NH2R+

+NH2R

R NH2++

OH +O

H

H

+

CO-Verlust aus Phenolen

- CO

mz 9428 u

mz 66

+

+

mz 65

- H

CO-Verlust tritt auszligerdem bei anderen ungesaumlttigten cyclischen Ketonen und beiAcylium-Ionen auf CO-Verlust kann eine thermische Rkt vor der Ionisation sein

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ortho-Effekt oder Retro-14-Addition

OMe

H

O

4

1

+ O+

- MeOH

Bei ortho-substituierten Benzol- und bei 18-substituierten Naphthalinderivatenkoumlnnen Fragmentierungen auftreten die nur durch Wechselwirkung beider Sub-stituenten moumlglich werden Dazu gehoumlren auch OH-Verluste aus Nitroaromaten

Referenzspektren

Anhand von Referenzspektren lassen sich gut substanzklassenspezifische Charakteristikaerkennen Deshalb kommt Spektrenbibliotheken eine groumlszligere Bedeutung als nur die direkteIdentifizierung einer unbekannten Verbindung zu

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- 25 -

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NISTEPANIH Mass Spectral Data Base 1998

Tabellen charakteristischer Fragmentionen und MassendifferenzenZur Beachtung

Diese Tabellen sind mit Vorsicht zu genieszligen Es gibt sicher noch viele andere isobareFragmentionen und Massendifferenzen Auszligerdem laumlszligt man sich all zu leicht auf einenbestimmten Interpretationsansatz festlegen

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

30 Amine primaumlre Amine falls

intensiver als homologe

Iminium-Ionen

NH2+

30 Nitroverbindungen NO+

31 Alkohole Ether Acetale wenn intensivstes der

Oxonium-Ionen prim

Alkohol

OH+

32 Sauerstoff meist Untergrund [O2]+

32 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [S]+

33 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [HS]+

34 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [H2S]+

35 Chlorverbindungen plus Isotop 37Cl [Cl]+

36 Chlorverbindungen HCl plus Isotop 37Cl [HCl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

- 27 -

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

- 28 -

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 10: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

detektiert werden Ionen mit einer Lebensdauer lt 10-6 s werden in der MS deshalb alsinstabile Ionen bezeichnet

Stabile IonenMolekuumllionen mit geringer innerer Energie koumlnnen keine Zerfallsschwelle uumlberwinden Wennsie in einem Potentialminimum existieren sind sie unter den Bedingungen des Massen-spektrometers (bei lt 10-6 mbar isoliert in der Gasphase) stabil

Metastabile IonenNicht alle die Ionenquelle verlassenden Ionen uumlberleben die Flugzeit bis zum Detektormanche zerfallen im Transit Diese Ionen werden als metastabile Ionen bezeichnet Man kanndefinieren metastabile Ionen haben eine Lebensdauer in der Groumlszligenordnung von 10ndash6ndash10ndash5 s

Scantechnik beim SektorfeldgeraumltDa der Radius des B-Sektors und Ekin der Ionen festgelegt sind variiert man zur Aufnahmevon Massenspektren der in der Ionenquelle gebildeten Ionen die magnetische Feldstaumlrke Bsog B-Scan oder M-Scan Uumlblich sind Scanraten von 1ndash10 sDecade z B mz 50ndash500 in 5 sbei 5 sDecade Eine andere Methode ist die proportionale Variation von Beschleunigungs-spannung und ESA-Spannung sog E-Scan oder HV-Scan Wegen der damit verbundenenDefokussierung der Ionenquelle kann nur ein kleinerer Massenbereich ca 50 des amMagneten eingestellten mz-Wertes abgedeckt werden

Zerfaumlllt ein metastabiles Ion der Masse m1 d h nachdem es die volle Beschleunigungs-spannung durchlaufen hat in einer feldfreien Region (FFR) vor dem B-Sektor in eingeladenes Bruchstuumlck der Masse m2 und ein ungeladenes der Masse n = (m1-m2) dann fliegendie Produkte m2 und n mit der unveraumlnderten Geschwindigkeit v1 = v2 weiter

v = 2eUm

11

Der Bahnradius r2 des geladenen Bruchstuumlckes m2 beim Durchfliegen des B-Sektors ist

= me B

2 1r2v

Nach Einsetzen von v1 erhaumllt man

r2 22

1 = 1

B 2 m U

m eDas Bruchstuumlck der Masse m2 wird demnach bei einer effektiven Massenzahl

m = m22 m1

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im Massenspektrum registriert sofern es sich um ein B- oder EB-Geraumlt handelt BE-Geraumltezeigen keine metastabilen Ionen im Spektrum da diese wegen ihrer verringerten kinetischenEnergie nicht den E-Sektor passieren koumlnnenDie Untersuchung metastabiler Ionen ist eine wichtige Methode in der Chemie isolierter Ionenin der Gasphase Deshalb wurde eine Vielzahl von Scantechniken fuumlr Sektorfeldmassen-spektrometer entwickelt die es erlauben die Zerfaumllle metastabiler Ionen in einer FFR vor demB-Sektor oder auch vor dem E-Sektor zu registrieren Daraus lassen sich Informationen uumlberintrinsische Eigenschaften der Ionen und uumlber Zerfallsmechanismen gewinnen Auch fuumlrlineare Quadrupol- Quadrupol-Ionenfallen- ICR- und TOF-Massenspektrometer gibt esTechniken zur Untersuchung isolierter Ionen auf die hier aber nicht naumlher eingegangenwerden kann Generell bezeichnet man diese Techniken als Tandem-MS MSMS oder MSnda inzwischen auch mehrstufige MS-Experimente realisiert werden koumlnnenBeim Einsatz der sanften Ionisationsmethoden werden nahezu ausschlieszliglich stabileMolekuumllionen erzeugt Um dennoch Strukturinformation zu erhalten kann man dieFragmentierung durch Stoszligaktivierung (collisionally induced dissociation CID collisionalactivation CA) erzwingen Dazu wird der Ionenstrahl durch eine Stoszligkammer mit einemneutralen Stoszliggas (He Ar N2) geschickt Die Umgebung der Stoszligkammer wird durch dasdifferentielle Pumpsystem unter Hochvakuum gehalten Bei den hochenergetischen Stoumlszligenmit den Gasatomen werden die Ionen aumlhnlich angeregt wie bei der EI-Ionisation DieFragmentionen werden dann mittels Tandem-MS analysiert

Detektor

Der einfachste Detektor ist ein Faraday cup ein kleiner Metallbecher der die Ionen sammeltund sich dabei elektrisch auflaumldt Die Ladung flieszligt uumlber einen Widerstand von 10ndash100 MΩab uumlber den der Spannungsabfall gemessen und nach Verstaumlrkung registriert wird DiesesSystem wird nur noch in der Isotopen-MS eingesetzt

Heute werden oft Sekundaumlrelektronen-Vervielfacher (SEV secondary electron multiplierSEM) benutzt Der Ionenstrahl trifft auf eine Konversionsdynode aus einemHalbleitermaterial dadurch werden Elektronen freigesetzt die auf die naumlchste Dynode hinbeschleunigt werden Uumlber 14ndash17 Stufen uumlber die insgesamt 1ndash3 kV anliegen wird so eineVerstaumlrkungskaskade ausgeloumlst (Faktor 106ndash108) Der Strom wird verstaumlrkt und in einSpannungssignal umgewandelt

Anstelle einzelner Dynoden kann man eine kontinuierliche Bauart des SEV verwenden dasChanneltron Das Channeltron ist ein kleines gebogenes Houmlrnchen uumlber das vom Eintritt biszum Ende 1ndash3 kV angelegt werden

Schneidet man ein Buumlndel tausender zusammengesinterter Glaskapillaren mit entsprechenderBeschichtung der Innenwaumlnde in duumlnne Scheiben entsteht eine Anordnung bei der jeder

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dieser feinen Kanaumlle wie ein kleines Channeltron wirkt Dies ist eine sog Microchannel plate(MCP ca 2ndash5 cm Durchmesser) Die groszlige Oberflaumlche erlaubt eine sehr empfindlicheDetektion eintreffender Ionen uumlber einen groszligen Raumwinkel (vorteilhaft bei TOF-MS)

Anstatt das Signal der gesamten MCP zusammenzufassen kann man es auch ortsaufgeloumlstregistrieren Solch ein Array-Detektor kann simultan einen bestimmten Massenbereich ( ca5ndash10 des eingestellten mz eines Sektorfeldgeraumlts) in 512ndash2048 Kanaumlle detektieren und soeine im Vergleich zum SEV 100-fach houmlhere Empfindlichkeit erreichen

DatensystemDie Leistungsfaumlhigkeit moderner Massenspektrometer wird zu einem nicht unerheblichen Teildurch das zur Meszligdatenerfassung und -auswertung verwendete Datensystem bestimmt Auchdie Geraumltesteuerung wird bei modernen Systemen ausschlieszliglich uumlber den Rechner ab-gewickelt Gute Software kann einen gewaltigen Beitrag zu Probendurchsatz undQualitaumltssicherung beisteuern (Leider fuumlhren fully automated and easy to use-Geraumlte nichtselten zu einem gewissen Dilettantismus in der MS)

Grundlagen der Spektreninterpretation

Isotopie der ElementeDie meisten Elemente sind keine Reinelemente d h sie kommen nicht monoisotopisch vorMan kann grob folgende massenspektrometrisch relevante Gruppen einteilen (fuumlr die uumlbrigenElemente sei auf die gaumlngige MS-Literatur verwiesen)

1 Reinelemente wie 19F 31P 127I oder 133Cs

2 Elemente mit einem Hauptisotop und ein oder zwei Begleitisotopen von sehr geringerHaumlufigkeit (lt 03 ) Dazu gehoumlren 1H 14N 16O Fuumlr die meisten Zwecke lassen sie sich wiedie Reinelemente beruumlcksichtigen

3 Elemente mit einem Hauptisotop und ein oder zwei Begleitisotopen von geringerHaumlufigkeit (lt 5 ) Dazu gehoumlren 12C 28Si und 32S

4 Elemente die mit zwei Isotopen vergleichbarer Haumlufigkeit auftreten wie 10B 11B oder dieHalogene 35Cl 37Cl und 79Br 81Br

5 Elemente mit mehreren Isotopen und relativ gleichmaumlszligiger Verteilung wie Hg Sn Ru etc

Information aus den IsotopenpeaksDie Haumlufigkeit der Molekuumlle die ein Molgewicht haben das 1 2 3 oder mehr Massen-einheiten uumlber dem Molgewicht des monoisotopischen Molekuumlls liegt haumlngt ab von derAnzahl der vorhandenen Atome und von der relativen Haumlufigkeit der Isotope in denbeteiligten Elementen

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Element M M+1 M+2Masse Masse Masse

H 1 100 2 0015 - -B 10 248 11 100 - -C 12 100 13 11 - -N 14 100 15 037 - -O 16 100 17 004 18 020F 19 100 - - - -Si 28 100 29 51 30 34P 31 100 - - - -S 32 100 33 08 34 44Cl 35 100 - - 37 320Br 79 100 - - 81 980I 127 100 - - - -

Tabelle 1 Isotopenverteilung einiger Elemente normiert auf das haumlufigste Isotop Es wurden nur die in der MSrelevanten Isotope der Elemente aufgefuumlhrt

Der 13C-PeakZwar hat jedes C-Atom nur zu 11 die Chance als 13C aufzutreten doch beim Kohlenstoffist 13C relevant da oft eine groszlige Zahl von C-Atomen in einem Molekuumll vorkommt ImMethan betraumlgt die Intensitaumlt des M+1 Peaks bei mz 17 daher etwa 11 der Intensitaumlt desPeaks bei mz 16 im Hexan hat M+1 mz 73 ca 66 der Intensitaumlt von mz 72

M+1 M+2 M+1 M+2 M+3C1 11 0 C20 22 23 02C2 22 001 C30 33 52 05C4 44 007 C40 44 94 13C6 66 018 C50 55 15 15

C10 110 054 C60 66 21 46C14 154 11 C100 110 60 22

Tabelle 2 Beitraumlge zum M+1 M+2 und M+3 Signal in rel des monoisotopischen Signals durch 13C-Anteil inCn-Verbindungen

M+2 ElementeBei Elementen die hauptsaumlchlich ein schweres Isotop in groumlszligerer Haumlufigkeit enthalten wieSchwefel Silicium Chlor und Brom kann die Isotopenverteilung nach folgendem verein-fachten Ausdruck berechnet werden

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(a + b)n

a ist die relative Haumlufigkeit des leichten Isotopsb ist die relative Haumlufigkeit des schweren Isotopsn ist die Anzahl der Atome des betrachteten Elements im Molekuumll

Si und S zeigen kleine aber deutliche Isotopenpeaks die einen Ruumlckschluszlig auf dasVorhandensein dieser Elemente erlauben Bei Cl und Br schlieszliglich machen die Isotopenpeaksderen Anwesenheit unverkennbarBesonders bei Si und S koumlnnen Uumlberlagerungen mit dem 13C- oder anderen Mustern leichtzum Verwischen fuumlhren Man beachte auszligerdem daszlig die Halogene M M+2 M+4 M+6liefern waumlhrend der Abstand bei Si und S nur 1 u betraumlgt In allen Faumlllen muszlig x (Abb 10)mindestens der Masse der Elementkombination entsprechen z B x = 70 bei Cl2 sonst kannes sich nicht um ein Isotopenmuster handeln

Si Si2 Si3

x +2 x +2 x +2

5134

1071

1511

x +2 x +2

S S2

44 88

Abb 10 Die wichtigsten Isotopenmuster der organischen MS Hier sind die Muster der jeweiligen Elemente sogezeigt wie sie sich ohne Uumlberlagerung mit dem Isotopenmuster des Kohlenstoffs ergeben

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exakteIsotopenmasse

relativeHaumlufigkeit

Massen-uumlberschuszlig

relativeAtommasse

Isotop Nominal-masse

amu mmu amu

1H 1 1007825 99985 782 100792H 2 2014102 0015 141010B 10 10012938 199 1294 1081111B 11 11009305 801 93012C 12 12000000 9890 0 1201113C 13 13003355 110 33514N 14 14003074 99634 307 14006715N 15 15000109 0366 01116O 16 15994915 99762 -508 15999417O 16 16999131 0038 -08618O 18 17999159 0200 -08419F 19 18998403 1000 -159 189984

23Na 23 22989770 1000 -1023 22989828Si 28 27976928 9223 -2307 28085529Si 29 28976496 467 -235030Si 30 29973772 310 -262331P 31 30973763 1000 -2623 30973832S 32 31972072 9502 -2792 3206633S 33 32971459 075 -285434S 34 33967868 421 -3213

35Cl 35 34968853 7577 -3114 35452737Cl 37 36965903 2423 -341039K 39 38963708 932581 -3629 39098340K 40 39963999 00117 -360041K 41 40961825 67302 -381879Br 79 78918336 5069 -8165 7990481Br 81 80916290 4931 -8365127J 127 126904477 1000 -9564 1269044

Tabelle 3 Isotopenhaumlufigkeit exakte Isotopenmassen und relative chemische Atommassen einiger Elemente

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Hochaufloumlsende Massenspektrometrie und exakte Masse

Die relativen Atommassen sind nach IUPAC auf Kohlenstoff bezogen Genauer eineatomare Masseneinheit equiv 1 u equiv 112 der Masse des Kohlenstoffisotops 12C Neben u sind auchdie Bezeichnungen amu (atomic mass unit) und Da (Dalton) in Gebrauch(Die Definition vor 1961 war 1 Masseneinheit ME equiv 116 der Masse Sauerstoffisotops 16ODamit ergeben sich geringfuumlgig andere Atommassen Man muszlig deshalb auf das Erscheinungs-jahr von Massentabellen achten)

MassendefektDie Differenz von exakter Masse zu Nominalmasse wird als Massendefekt (mass deficiency)bzw Massenuumlberschuszlig bezeichnet Alkane und Alkylionen besitzen wegen ihres hohen 1H-Gehalts den groumlszligten Massenuumlberschuszlig dann folgen Amide und Peptide Polyether undPolyalkohole wie Oligosaccharide Kohlenstoff als 12C hat definitionsgemaumlszlig keinenMassendefekt Massendefekte werden oft in halogenierten Verbindungen und generell beimVorliegen von Schweratomen beobachtet Bereits ab mz 500 kann man mit Nominalmassen(H 1 u C 12 u O 16 u ) schon deutlich falsch liegen Das Molkuumllion von C36H74 mz5065790 ist nominal noch mz 506 wuumlrde aber von einem Datensystem ggf zu mz 507aufgerundet Deshalb ist auch bei Verwendung der Nominalmasse eine Dezimalstelleangebracht z B mz 5066

-04-02

002040608

112141618

222242628

3

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

nominale Molmasse (amu)

Mas

send

efek

t (am

u) KohlenstoffNylon-66PEGPTFEPVCPE

Abb 11 Zu bestimmten Gruppen von Summenformeln gehoumlren charakteristische MassendefekteIm Falle von elementarem Kohlenstoff zB bei Fullerenen ist der Wert immer 0 amu Typischeorganische Verbindungen dagegen zeigen Werte von 05-10 amu pro 1000 amu TretenUumlbergangsmetalle oder Halogene auf ist der Wert deutlich verringert und kann sogar unter dieNominalmasse fallen zB bei PFK

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Bestimmung der SummenformelMit doppelfokussierenden Magnetsektorfeldgeraumlten sind Massenaufloumlsungen uumlber 10000 zuerreichen (high resolution HR) So lassen sich Gemische isotopomerer Ionen gleicherNominalmasse wegen ihrer unterschiedlichen exakten Massen trennen und den isotopischenZusammensetzungen zuordnen vorausgesetzt es gelingt eine Zuordnung der Peaks zu einerexakten Masse Dazu verwendet man eine Kalibriersubstanz mit Signalen bekannter exakterMassen als interne Standardisierung der Massenskala Perfluorkerosin (PFK) und andereperfluorierte Verbindungen werden fuumlr die externe Kalibrierung und auch als internerMassenstandard in der EI-HR-MS eingesetzt da sie Ionen mit deutlichem Massendefektbilden die normalerweise leicht von den zu untersuchenden Ionen getrennt werden Ohneinternen Standard waumlre z B bei Auftreten von nur einem der beiden Signale nicht zwischen40Ar+ mz 399624 und C3H4+ mz 400313 zu unterscheiden Demnach werden durchHR-MS Ionenmassen abgesichert und auch zwischen nominal isobaren Eliminierungen z Bvon N2 CO undoder C2H4 kann man klar differenzieren

Mit zunehmender Molmasse kommen jedoch viele Summenformeln in einem experimentellenFehlerbereich von 2ndash5 mmu (milli u) in Frage Bei mz 500 entsprechen 5 mmu einer relativenAbweichung von 10 ppm bei mz 2000 aber nur noch 25 ppm Die Auswahl anSummenformeln im Fehlerintervall wird allerdings oft durch ergaumlnzende Informationeneingeengt Solche Limitierungen ergeben sich aus der Herkunft der Probe (z B nur C H13N und lt 4 O) oder aus dem Isotopenmuster des Molekuumllions (zB 1 Br kein S)

In der Massenspektrometrie kommt der Bestimmung der Summenformel einer unbekanntenSubstanz eine zentrale Bedeutung zu Zwar lassen sich oft schon weitgehende Ruumlckschluumlsseaus dem Isotopenmuster des Molekuumllions ziehen doch eine exakte Massenmessung stellt dieverlaumlszliglichere Information dar da ggf eine Uumlberlagerung des 13C Peaks mit einem [M+H]+

Peak unbekannter Intensitaumlt das Isotopenmuster verfaumllschen Auszligerdem haumlngt der 13C-Gehaltvon der Herkunft der Probe ab was die Bestimmung der Anzahl C-Atome aus dem M+1 Peaklimitiert

Herkunft des Kohlenstoffs 13C

atmosphaumlrisches CO2 1106C3-Pflanzen 1080C4-Pflanzen 1095fossile Stoffe 106-108

Tabelle 4 13C-Gehalt von Kohlenstoff in Abhaumlngigkeit von seiner Herkunft Generell ist der Gehalt derschwereren Isotope in aumlquatorialen Breiten houmlher als in polnahen Regionen

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Ringe plus Doppelbindungen

Wegen der jeweils eigenen Anzahl Valenzen der Elemente berechnet sich die Summe derRinge plus Doppelbindungen r + d (auch Doppelbindungsaumlquivalente DBAuml unsaturationUS) fuumlr ein Molekuumllion der Formel CcHhNnOo nach der Gleichung

r + d = c - 05 h + 05 n + 1Wendet man die Formel auf Pyridin C5H5N an so ergibt sich

r + d = 5 - 05bull5 + 05bull1 + 1 = 5 - 25 + 05 + 1 = 4

Bei Fragmentionen kann der berechnete Wert von r + d auch 05 15 betragen Um denkorrekten Wert zu erhalten rundet man auf die ganze Zahl ab Fuumlr das BenzoylkationC7H5O+ erhaumllt man

r + d = 7 - 05bull5 + 1 = 55

was als r + d = 5 zu interpretieren ist Die Aussage ist dann korrekt wenn man die Fragment-ionen als Carbeniumionen schreibt

O O+

+N N+ +

Treten andere Elemente auf so werden sie nach der Zahl ihrer Valenzen beruumlcksichtigt Sizaumlhlt zu C P zu N S zu O Hal zu H Wenn Elemente houmlhere Valenzen erreichen als in derFormel angenommen werden falsche Werte fuumlr r + d errechnet z B bei SulfoxidenSulfonen Phosphaten Fuumlr jeweils zwei Valenzen mehr als oben angenommen muumlszligte man dieFormel um +1 ergaumlnzen z B Phosphorsaumluretrimethylester C3H9O3P mit 5- statt 3-bindigemPhosphor

r + d = 3 - 45 + 05 + 2 = 1

Man erhaumllt durch diese Rechnung eine Limitierung der Anzahl Strukturvorschlaumlge zu einerSummenformel

Fragmentierungsreaktionen

Ein nicht unwesentlicher Teil der Interpretation von Massenspektren laumlszligt sich durchAnwendung von Zerfallsschemata erreichen Dazu muszlig man die wichtigsten Frag-mentierungsreaktionen verschiedener Ionenspezies kennen Nicht jeder Peak laumlszligt sich sovernuumlnftig erklaumlren Viele Reaktionen sind spezifisch fuumlr eine kleine Gruppe von Ionen ImZweifel ist die Fachliteratur zu Rate zu ziehen Fuumlr die im Kurs abgedeckten Substanzklassenist der Umfang nachfolgender Zusammenstellung ausreichend

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Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen

αααα-Spaltung aktivierter Bindungen

R

O+

α1

α2

RO+

+

O+

R +

α1

α2

Bildung der thermodynamischstabileren Produktpaarung ausIon und Radikal ist bevorzugt

Es wird eine zum Heteroatom α-staumlndigeBindung homolytischgespalten

O+

α

α O+

+ CH3 Das Heteroatom kann

exostaumlndig oder Teileiner Kette sein

O+

H

O+

H

O+

α 15-Hα

O+

+

In alicyclischen Systemen tritt doppelte α-Spaltung unter Umlagerung uumlber distonische Intermediate auf

Als Konkurrenzreaktionwird aber auch die andereProduktpaarung gebildet Deshalb findet man oft zurAbspaltung des Radikals nauch das korrespondierendeIon n+

+

+

R

O

OR

O+

α1

α2

R +

+

α1

α2

Allylspaltung

+

+

+

+

In Alkenen wird bevorzugt die allylische Bindung gespalten wobei das Allylkationgebildet wird

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Alkylspaltung und Olefinverlust aus Alkylkationen

+

+

C2H5

+

C3H7

+ +

- C2H4 28 u

Molekuumllionen mit Alkylketten spalten unselektiv entlang der Kette Alkylradikale abDie gebildeten Alkylkationen gehen Kettenverkuumlrzungen unter Alkenverlust einDaneben treten Isomerisierungen aller Ionenspezies auf

mz 43- CH3

--

Benzylspaltung

+

- C4H9 - C2H2 26 u

mz 77 mz 51

+ +

- C3H7

In Alkylaromaten wird bevorzugt die benzylische Bindung gespalten Es treten die typischen Ionen mz 91 77 65 51 39 oder deren Homologeauf Das Ausmaszlig der Isomerisierung ist verschieden Diese Serie kann aber auch aus nichtaromatischen Ionen gebildet werden wenn die Summenformel C7H7 zustande kommt

- C2H2 26 u

+

+ + +

mz 91 mz 65

- C2H2 26 u

C3H3+

mz 39

+

Die Spaltung der phenylischen Bindung fuumlhrt zu den Ionen bei mz 77 51 Sie ist beiAlkylaromaten weniger bevorzugt

Benzoylverbindungen dagegen bilden durch αminusSpaltung zunaumlchstdas Benzoylkation das unter CO-Verlust zu mz 77 51 weiterfragmentiert

O

R ++

mz 51mz 77

- C2H2 26 u

+

- R

α

+O

- CO 28 u

mz 105

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McLafferty-Umlagerung (ββββ-Spaltung mit γγγγ-H-Transfer)

OH R+

ORH+

15-H OH R+

+

In Molekuumllionen mit C=X-Doppelbindung tritt McLafferty-Umlagerung auf wenn ein γ-H-Atomuumlber die Sechsringkonformation auf X uumlbertragen werden kann Es tritt Alkenverlust aufMan kann die Umlagerung auch konzertiert formulieren

a)

b)

N

H R

+15-H-

N

R+

NR

++

In closed-shell Ionen wird ein analoger Prozeszlig beobachtet Onium-Ionen eliminieren einAlken-Molekuumll unter Bildung eines neuen Onium-Ions

c)

H

R + R

HH

+ HH

+

mz 92

+

R

Alkylaromaten bilden neben der Benzylspaltung mz 92oder Homologe durch McLafferty-Umlagerung DasIon mz 92 ist ein Isomer des Toluol-Molekuumllions

15-H

Eine andere Moumlglichkeit ein Alken aus dem Molekuumllion zu eliminieren ist die

AB

+

A B++

+BAA

B

+

+

Molekuumllionen und closed-shellIonen mit einem Sechsringsystemdas eine Doppelbindung enthaumlltgehen RDA ein Die Dien-Komponentetraumlgt bevorzugt die LadungEs koumlnnen Heteroatome enthalten sein

Retro-Diels-Alder-Reaktion RDA

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R

++N

R

H

Onium-Reaktion

+ HN

Onium-Ionen zeigen Alkenverluste unter Abspaltung des gesamten AlkylrestesDas uumlbertragene H kann aus der ganzen Kette stammen Der Mechanismus isteigentlich komplizierter es treten intermediaumlr Ion-Molekuumll-Komplexe aufWegen der Delokalisierung der Ladung sind sowohl die C=X+-R als auch die R-C+-X-Bindung moumlgliche Positionen fuumlr die Onium-Rkt

a)

c)

OR

+OH+

+R

OR+

+

Vor allem Oxonium-Ionen zeigen neben Alkenverlust auch Aldehydverlust da die Differenz der Protonenaffinitaumlten von Aldehyd und Carbenium-Ion relativ gering istBei genuumlgender innerer Energie gehen alle Onium-Ionen beide Reaktionen ein

b)

NH2R+

+NH2R

R NH2++

OH +O

H

H

+

CO-Verlust aus Phenolen

- CO

mz 9428 u

mz 66

+

+

mz 65

- H

CO-Verlust tritt auszligerdem bei anderen ungesaumlttigten cyclischen Ketonen und beiAcylium-Ionen auf CO-Verlust kann eine thermische Rkt vor der Ionisation sein

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ortho-Effekt oder Retro-14-Addition

OMe

H

O

4

1

+ O+

- MeOH

Bei ortho-substituierten Benzol- und bei 18-substituierten Naphthalinderivatenkoumlnnen Fragmentierungen auftreten die nur durch Wechselwirkung beider Sub-stituenten moumlglich werden Dazu gehoumlren auch OH-Verluste aus Nitroaromaten

Referenzspektren

Anhand von Referenzspektren lassen sich gut substanzklassenspezifische Charakteristikaerkennen Deshalb kommt Spektrenbibliotheken eine groumlszligere Bedeutung als nur die direkteIdentifizierung einer unbekannten Verbindung zu

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NISTEPANIH Mass Spectral Data Base 1998

Tabellen charakteristischer Fragmentionen und MassendifferenzenZur Beachtung

Diese Tabellen sind mit Vorsicht zu genieszligen Es gibt sicher noch viele andere isobareFragmentionen und Massendifferenzen Auszligerdem laumlszligt man sich all zu leicht auf einenbestimmten Interpretationsansatz festlegen

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

30 Amine primaumlre Amine falls

intensiver als homologe

Iminium-Ionen

NH2+

30 Nitroverbindungen NO+

31 Alkohole Ether Acetale wenn intensivstes der

Oxonium-Ionen prim

Alkohol

OH+

32 Sauerstoff meist Untergrund [O2]+

32 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [S]+

33 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [HS]+

34 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [H2S]+

35 Chlorverbindungen plus Isotop 37Cl [Cl]+

36 Chlorverbindungen HCl plus Isotop 37Cl [HCl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

- 28 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

- 29 -

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 11: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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im Massenspektrum registriert sofern es sich um ein B- oder EB-Geraumlt handelt BE-Geraumltezeigen keine metastabilen Ionen im Spektrum da diese wegen ihrer verringerten kinetischenEnergie nicht den E-Sektor passieren koumlnnenDie Untersuchung metastabiler Ionen ist eine wichtige Methode in der Chemie isolierter Ionenin der Gasphase Deshalb wurde eine Vielzahl von Scantechniken fuumlr Sektorfeldmassen-spektrometer entwickelt die es erlauben die Zerfaumllle metastabiler Ionen in einer FFR vor demB-Sektor oder auch vor dem E-Sektor zu registrieren Daraus lassen sich Informationen uumlberintrinsische Eigenschaften der Ionen und uumlber Zerfallsmechanismen gewinnen Auch fuumlrlineare Quadrupol- Quadrupol-Ionenfallen- ICR- und TOF-Massenspektrometer gibt esTechniken zur Untersuchung isolierter Ionen auf die hier aber nicht naumlher eingegangenwerden kann Generell bezeichnet man diese Techniken als Tandem-MS MSMS oder MSnda inzwischen auch mehrstufige MS-Experimente realisiert werden koumlnnenBeim Einsatz der sanften Ionisationsmethoden werden nahezu ausschlieszliglich stabileMolekuumllionen erzeugt Um dennoch Strukturinformation zu erhalten kann man dieFragmentierung durch Stoszligaktivierung (collisionally induced dissociation CID collisionalactivation CA) erzwingen Dazu wird der Ionenstrahl durch eine Stoszligkammer mit einemneutralen Stoszliggas (He Ar N2) geschickt Die Umgebung der Stoszligkammer wird durch dasdifferentielle Pumpsystem unter Hochvakuum gehalten Bei den hochenergetischen Stoumlszligenmit den Gasatomen werden die Ionen aumlhnlich angeregt wie bei der EI-Ionisation DieFragmentionen werden dann mittels Tandem-MS analysiert

Detektor

Der einfachste Detektor ist ein Faraday cup ein kleiner Metallbecher der die Ionen sammeltund sich dabei elektrisch auflaumldt Die Ladung flieszligt uumlber einen Widerstand von 10ndash100 MΩab uumlber den der Spannungsabfall gemessen und nach Verstaumlrkung registriert wird DiesesSystem wird nur noch in der Isotopen-MS eingesetzt

Heute werden oft Sekundaumlrelektronen-Vervielfacher (SEV secondary electron multiplierSEM) benutzt Der Ionenstrahl trifft auf eine Konversionsdynode aus einemHalbleitermaterial dadurch werden Elektronen freigesetzt die auf die naumlchste Dynode hinbeschleunigt werden Uumlber 14ndash17 Stufen uumlber die insgesamt 1ndash3 kV anliegen wird so eineVerstaumlrkungskaskade ausgeloumlst (Faktor 106ndash108) Der Strom wird verstaumlrkt und in einSpannungssignal umgewandelt

Anstelle einzelner Dynoden kann man eine kontinuierliche Bauart des SEV verwenden dasChanneltron Das Channeltron ist ein kleines gebogenes Houmlrnchen uumlber das vom Eintritt biszum Ende 1ndash3 kV angelegt werden

Schneidet man ein Buumlndel tausender zusammengesinterter Glaskapillaren mit entsprechenderBeschichtung der Innenwaumlnde in duumlnne Scheiben entsteht eine Anordnung bei der jeder

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dieser feinen Kanaumlle wie ein kleines Channeltron wirkt Dies ist eine sog Microchannel plate(MCP ca 2ndash5 cm Durchmesser) Die groszlige Oberflaumlche erlaubt eine sehr empfindlicheDetektion eintreffender Ionen uumlber einen groszligen Raumwinkel (vorteilhaft bei TOF-MS)

Anstatt das Signal der gesamten MCP zusammenzufassen kann man es auch ortsaufgeloumlstregistrieren Solch ein Array-Detektor kann simultan einen bestimmten Massenbereich ( ca5ndash10 des eingestellten mz eines Sektorfeldgeraumlts) in 512ndash2048 Kanaumlle detektieren und soeine im Vergleich zum SEV 100-fach houmlhere Empfindlichkeit erreichen

DatensystemDie Leistungsfaumlhigkeit moderner Massenspektrometer wird zu einem nicht unerheblichen Teildurch das zur Meszligdatenerfassung und -auswertung verwendete Datensystem bestimmt Auchdie Geraumltesteuerung wird bei modernen Systemen ausschlieszliglich uumlber den Rechner ab-gewickelt Gute Software kann einen gewaltigen Beitrag zu Probendurchsatz undQualitaumltssicherung beisteuern (Leider fuumlhren fully automated and easy to use-Geraumlte nichtselten zu einem gewissen Dilettantismus in der MS)

Grundlagen der Spektreninterpretation

Isotopie der ElementeDie meisten Elemente sind keine Reinelemente d h sie kommen nicht monoisotopisch vorMan kann grob folgende massenspektrometrisch relevante Gruppen einteilen (fuumlr die uumlbrigenElemente sei auf die gaumlngige MS-Literatur verwiesen)

1 Reinelemente wie 19F 31P 127I oder 133Cs

2 Elemente mit einem Hauptisotop und ein oder zwei Begleitisotopen von sehr geringerHaumlufigkeit (lt 03 ) Dazu gehoumlren 1H 14N 16O Fuumlr die meisten Zwecke lassen sie sich wiedie Reinelemente beruumlcksichtigen

3 Elemente mit einem Hauptisotop und ein oder zwei Begleitisotopen von geringerHaumlufigkeit (lt 5 ) Dazu gehoumlren 12C 28Si und 32S

4 Elemente die mit zwei Isotopen vergleichbarer Haumlufigkeit auftreten wie 10B 11B oder dieHalogene 35Cl 37Cl und 79Br 81Br

5 Elemente mit mehreren Isotopen und relativ gleichmaumlszligiger Verteilung wie Hg Sn Ru etc

Information aus den IsotopenpeaksDie Haumlufigkeit der Molekuumlle die ein Molgewicht haben das 1 2 3 oder mehr Massen-einheiten uumlber dem Molgewicht des monoisotopischen Molekuumlls liegt haumlngt ab von derAnzahl der vorhandenen Atome und von der relativen Haumlufigkeit der Isotope in denbeteiligten Elementen

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Element M M+1 M+2Masse Masse Masse

H 1 100 2 0015 - -B 10 248 11 100 - -C 12 100 13 11 - -N 14 100 15 037 - -O 16 100 17 004 18 020F 19 100 - - - -Si 28 100 29 51 30 34P 31 100 - - - -S 32 100 33 08 34 44Cl 35 100 - - 37 320Br 79 100 - - 81 980I 127 100 - - - -

Tabelle 1 Isotopenverteilung einiger Elemente normiert auf das haumlufigste Isotop Es wurden nur die in der MSrelevanten Isotope der Elemente aufgefuumlhrt

Der 13C-PeakZwar hat jedes C-Atom nur zu 11 die Chance als 13C aufzutreten doch beim Kohlenstoffist 13C relevant da oft eine groszlige Zahl von C-Atomen in einem Molekuumll vorkommt ImMethan betraumlgt die Intensitaumlt des M+1 Peaks bei mz 17 daher etwa 11 der Intensitaumlt desPeaks bei mz 16 im Hexan hat M+1 mz 73 ca 66 der Intensitaumlt von mz 72

M+1 M+2 M+1 M+2 M+3C1 11 0 C20 22 23 02C2 22 001 C30 33 52 05C4 44 007 C40 44 94 13C6 66 018 C50 55 15 15

C10 110 054 C60 66 21 46C14 154 11 C100 110 60 22

Tabelle 2 Beitraumlge zum M+1 M+2 und M+3 Signal in rel des monoisotopischen Signals durch 13C-Anteil inCn-Verbindungen

M+2 ElementeBei Elementen die hauptsaumlchlich ein schweres Isotop in groumlszligerer Haumlufigkeit enthalten wieSchwefel Silicium Chlor und Brom kann die Isotopenverteilung nach folgendem verein-fachten Ausdruck berechnet werden

- 14 -

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(a + b)n

a ist die relative Haumlufigkeit des leichten Isotopsb ist die relative Haumlufigkeit des schweren Isotopsn ist die Anzahl der Atome des betrachteten Elements im Molekuumll

Si und S zeigen kleine aber deutliche Isotopenpeaks die einen Ruumlckschluszlig auf dasVorhandensein dieser Elemente erlauben Bei Cl und Br schlieszliglich machen die Isotopenpeaksderen Anwesenheit unverkennbarBesonders bei Si und S koumlnnen Uumlberlagerungen mit dem 13C- oder anderen Mustern leichtzum Verwischen fuumlhren Man beachte auszligerdem daszlig die Halogene M M+2 M+4 M+6liefern waumlhrend der Abstand bei Si und S nur 1 u betraumlgt In allen Faumlllen muszlig x (Abb 10)mindestens der Masse der Elementkombination entsprechen z B x = 70 bei Cl2 sonst kannes sich nicht um ein Isotopenmuster handeln

Si Si2 Si3

x +2 x +2 x +2

5134

1071

1511

x +2 x +2

S S2

44 88

Abb 10 Die wichtigsten Isotopenmuster der organischen MS Hier sind die Muster der jeweiligen Elemente sogezeigt wie sie sich ohne Uumlberlagerung mit dem Isotopenmuster des Kohlenstoffs ergeben

- 15 -

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exakteIsotopenmasse

relativeHaumlufigkeit

Massen-uumlberschuszlig

relativeAtommasse

Isotop Nominal-masse

amu mmu amu

1H 1 1007825 99985 782 100792H 2 2014102 0015 141010B 10 10012938 199 1294 1081111B 11 11009305 801 93012C 12 12000000 9890 0 1201113C 13 13003355 110 33514N 14 14003074 99634 307 14006715N 15 15000109 0366 01116O 16 15994915 99762 -508 15999417O 16 16999131 0038 -08618O 18 17999159 0200 -08419F 19 18998403 1000 -159 189984

23Na 23 22989770 1000 -1023 22989828Si 28 27976928 9223 -2307 28085529Si 29 28976496 467 -235030Si 30 29973772 310 -262331P 31 30973763 1000 -2623 30973832S 32 31972072 9502 -2792 3206633S 33 32971459 075 -285434S 34 33967868 421 -3213

35Cl 35 34968853 7577 -3114 35452737Cl 37 36965903 2423 -341039K 39 38963708 932581 -3629 39098340K 40 39963999 00117 -360041K 41 40961825 67302 -381879Br 79 78918336 5069 -8165 7990481Br 81 80916290 4931 -8365127J 127 126904477 1000 -9564 1269044

Tabelle 3 Isotopenhaumlufigkeit exakte Isotopenmassen und relative chemische Atommassen einiger Elemente

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Hochaufloumlsende Massenspektrometrie und exakte Masse

Die relativen Atommassen sind nach IUPAC auf Kohlenstoff bezogen Genauer eineatomare Masseneinheit equiv 1 u equiv 112 der Masse des Kohlenstoffisotops 12C Neben u sind auchdie Bezeichnungen amu (atomic mass unit) und Da (Dalton) in Gebrauch(Die Definition vor 1961 war 1 Masseneinheit ME equiv 116 der Masse Sauerstoffisotops 16ODamit ergeben sich geringfuumlgig andere Atommassen Man muszlig deshalb auf das Erscheinungs-jahr von Massentabellen achten)

MassendefektDie Differenz von exakter Masse zu Nominalmasse wird als Massendefekt (mass deficiency)bzw Massenuumlberschuszlig bezeichnet Alkane und Alkylionen besitzen wegen ihres hohen 1H-Gehalts den groumlszligten Massenuumlberschuszlig dann folgen Amide und Peptide Polyether undPolyalkohole wie Oligosaccharide Kohlenstoff als 12C hat definitionsgemaumlszlig keinenMassendefekt Massendefekte werden oft in halogenierten Verbindungen und generell beimVorliegen von Schweratomen beobachtet Bereits ab mz 500 kann man mit Nominalmassen(H 1 u C 12 u O 16 u ) schon deutlich falsch liegen Das Molkuumllion von C36H74 mz5065790 ist nominal noch mz 506 wuumlrde aber von einem Datensystem ggf zu mz 507aufgerundet Deshalb ist auch bei Verwendung der Nominalmasse eine Dezimalstelleangebracht z B mz 5066

-04-02

002040608

112141618

222242628

3

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

nominale Molmasse (amu)

Mas

send

efek

t (am

u) KohlenstoffNylon-66PEGPTFEPVCPE

Abb 11 Zu bestimmten Gruppen von Summenformeln gehoumlren charakteristische MassendefekteIm Falle von elementarem Kohlenstoff zB bei Fullerenen ist der Wert immer 0 amu Typischeorganische Verbindungen dagegen zeigen Werte von 05-10 amu pro 1000 amu TretenUumlbergangsmetalle oder Halogene auf ist der Wert deutlich verringert und kann sogar unter dieNominalmasse fallen zB bei PFK

- 17 -

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Bestimmung der SummenformelMit doppelfokussierenden Magnetsektorfeldgeraumlten sind Massenaufloumlsungen uumlber 10000 zuerreichen (high resolution HR) So lassen sich Gemische isotopomerer Ionen gleicherNominalmasse wegen ihrer unterschiedlichen exakten Massen trennen und den isotopischenZusammensetzungen zuordnen vorausgesetzt es gelingt eine Zuordnung der Peaks zu einerexakten Masse Dazu verwendet man eine Kalibriersubstanz mit Signalen bekannter exakterMassen als interne Standardisierung der Massenskala Perfluorkerosin (PFK) und andereperfluorierte Verbindungen werden fuumlr die externe Kalibrierung und auch als internerMassenstandard in der EI-HR-MS eingesetzt da sie Ionen mit deutlichem Massendefektbilden die normalerweise leicht von den zu untersuchenden Ionen getrennt werden Ohneinternen Standard waumlre z B bei Auftreten von nur einem der beiden Signale nicht zwischen40Ar+ mz 399624 und C3H4+ mz 400313 zu unterscheiden Demnach werden durchHR-MS Ionenmassen abgesichert und auch zwischen nominal isobaren Eliminierungen z Bvon N2 CO undoder C2H4 kann man klar differenzieren

Mit zunehmender Molmasse kommen jedoch viele Summenformeln in einem experimentellenFehlerbereich von 2ndash5 mmu (milli u) in Frage Bei mz 500 entsprechen 5 mmu einer relativenAbweichung von 10 ppm bei mz 2000 aber nur noch 25 ppm Die Auswahl anSummenformeln im Fehlerintervall wird allerdings oft durch ergaumlnzende Informationeneingeengt Solche Limitierungen ergeben sich aus der Herkunft der Probe (z B nur C H13N und lt 4 O) oder aus dem Isotopenmuster des Molekuumllions (zB 1 Br kein S)

In der Massenspektrometrie kommt der Bestimmung der Summenformel einer unbekanntenSubstanz eine zentrale Bedeutung zu Zwar lassen sich oft schon weitgehende Ruumlckschluumlsseaus dem Isotopenmuster des Molekuumllions ziehen doch eine exakte Massenmessung stellt dieverlaumlszliglichere Information dar da ggf eine Uumlberlagerung des 13C Peaks mit einem [M+H]+

Peak unbekannter Intensitaumlt das Isotopenmuster verfaumllschen Auszligerdem haumlngt der 13C-Gehaltvon der Herkunft der Probe ab was die Bestimmung der Anzahl C-Atome aus dem M+1 Peaklimitiert

Herkunft des Kohlenstoffs 13C

atmosphaumlrisches CO2 1106C3-Pflanzen 1080C4-Pflanzen 1095fossile Stoffe 106-108

Tabelle 4 13C-Gehalt von Kohlenstoff in Abhaumlngigkeit von seiner Herkunft Generell ist der Gehalt derschwereren Isotope in aumlquatorialen Breiten houmlher als in polnahen Regionen

- 18 -

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Ringe plus Doppelbindungen

Wegen der jeweils eigenen Anzahl Valenzen der Elemente berechnet sich die Summe derRinge plus Doppelbindungen r + d (auch Doppelbindungsaumlquivalente DBAuml unsaturationUS) fuumlr ein Molekuumllion der Formel CcHhNnOo nach der Gleichung

r + d = c - 05 h + 05 n + 1Wendet man die Formel auf Pyridin C5H5N an so ergibt sich

r + d = 5 - 05bull5 + 05bull1 + 1 = 5 - 25 + 05 + 1 = 4

Bei Fragmentionen kann der berechnete Wert von r + d auch 05 15 betragen Um denkorrekten Wert zu erhalten rundet man auf die ganze Zahl ab Fuumlr das BenzoylkationC7H5O+ erhaumllt man

r + d = 7 - 05bull5 + 1 = 55

was als r + d = 5 zu interpretieren ist Die Aussage ist dann korrekt wenn man die Fragment-ionen als Carbeniumionen schreibt

O O+

+N N+ +

Treten andere Elemente auf so werden sie nach der Zahl ihrer Valenzen beruumlcksichtigt Sizaumlhlt zu C P zu N S zu O Hal zu H Wenn Elemente houmlhere Valenzen erreichen als in derFormel angenommen werden falsche Werte fuumlr r + d errechnet z B bei SulfoxidenSulfonen Phosphaten Fuumlr jeweils zwei Valenzen mehr als oben angenommen muumlszligte man dieFormel um +1 ergaumlnzen z B Phosphorsaumluretrimethylester C3H9O3P mit 5- statt 3-bindigemPhosphor

r + d = 3 - 45 + 05 + 2 = 1

Man erhaumllt durch diese Rechnung eine Limitierung der Anzahl Strukturvorschlaumlge zu einerSummenformel

Fragmentierungsreaktionen

Ein nicht unwesentlicher Teil der Interpretation von Massenspektren laumlszligt sich durchAnwendung von Zerfallsschemata erreichen Dazu muszlig man die wichtigsten Frag-mentierungsreaktionen verschiedener Ionenspezies kennen Nicht jeder Peak laumlszligt sich sovernuumlnftig erklaumlren Viele Reaktionen sind spezifisch fuumlr eine kleine Gruppe von Ionen ImZweifel ist die Fachliteratur zu Rate zu ziehen Fuumlr die im Kurs abgedeckten Substanzklassenist der Umfang nachfolgender Zusammenstellung ausreichend

- 19 -

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Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen

αααα-Spaltung aktivierter Bindungen

R

O+

α1

α2

RO+

+

O+

R +

α1

α2

Bildung der thermodynamischstabileren Produktpaarung ausIon und Radikal ist bevorzugt

Es wird eine zum Heteroatom α-staumlndigeBindung homolytischgespalten

O+

α

α O+

+ CH3 Das Heteroatom kann

exostaumlndig oder Teileiner Kette sein

O+

H

O+

H

O+

α 15-Hα

O+

+

In alicyclischen Systemen tritt doppelte α-Spaltung unter Umlagerung uumlber distonische Intermediate auf

Als Konkurrenzreaktionwird aber auch die andereProduktpaarung gebildet Deshalb findet man oft zurAbspaltung des Radikals nauch das korrespondierendeIon n+

+

+

R

O

OR

O+

α1

α2

R +

+

α1

α2

Allylspaltung

+

+

+

+

In Alkenen wird bevorzugt die allylische Bindung gespalten wobei das Allylkationgebildet wird

- 20 -

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Alkylspaltung und Olefinverlust aus Alkylkationen

+

+

C2H5

+

C3H7

+ +

- C2H4 28 u

Molekuumllionen mit Alkylketten spalten unselektiv entlang der Kette Alkylradikale abDie gebildeten Alkylkationen gehen Kettenverkuumlrzungen unter Alkenverlust einDaneben treten Isomerisierungen aller Ionenspezies auf

mz 43- CH3

--

Benzylspaltung

+

- C4H9 - C2H2 26 u

mz 77 mz 51

+ +

- C3H7

In Alkylaromaten wird bevorzugt die benzylische Bindung gespalten Es treten die typischen Ionen mz 91 77 65 51 39 oder deren Homologeauf Das Ausmaszlig der Isomerisierung ist verschieden Diese Serie kann aber auch aus nichtaromatischen Ionen gebildet werden wenn die Summenformel C7H7 zustande kommt

- C2H2 26 u

+

+ + +

mz 91 mz 65

- C2H2 26 u

C3H3+

mz 39

+

Die Spaltung der phenylischen Bindung fuumlhrt zu den Ionen bei mz 77 51 Sie ist beiAlkylaromaten weniger bevorzugt

Benzoylverbindungen dagegen bilden durch αminusSpaltung zunaumlchstdas Benzoylkation das unter CO-Verlust zu mz 77 51 weiterfragmentiert

O

R ++

mz 51mz 77

- C2H2 26 u

+

- R

α

+O

- CO 28 u

mz 105

- 21 -

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McLafferty-Umlagerung (ββββ-Spaltung mit γγγγ-H-Transfer)

OH R+

ORH+

15-H OH R+

+

In Molekuumllionen mit C=X-Doppelbindung tritt McLafferty-Umlagerung auf wenn ein γ-H-Atomuumlber die Sechsringkonformation auf X uumlbertragen werden kann Es tritt Alkenverlust aufMan kann die Umlagerung auch konzertiert formulieren

a)

b)

N

H R

+15-H-

N

R+

NR

++

In closed-shell Ionen wird ein analoger Prozeszlig beobachtet Onium-Ionen eliminieren einAlken-Molekuumll unter Bildung eines neuen Onium-Ions

c)

H

R + R

HH

+ HH

+

mz 92

+

R

Alkylaromaten bilden neben der Benzylspaltung mz 92oder Homologe durch McLafferty-Umlagerung DasIon mz 92 ist ein Isomer des Toluol-Molekuumllions

15-H

Eine andere Moumlglichkeit ein Alken aus dem Molekuumllion zu eliminieren ist die

AB

+

A B++

+BAA

B

+

+

Molekuumllionen und closed-shellIonen mit einem Sechsringsystemdas eine Doppelbindung enthaumlltgehen RDA ein Die Dien-Komponentetraumlgt bevorzugt die LadungEs koumlnnen Heteroatome enthalten sein

Retro-Diels-Alder-Reaktion RDA

- 22 -

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R

++N

R

H

Onium-Reaktion

+ HN

Onium-Ionen zeigen Alkenverluste unter Abspaltung des gesamten AlkylrestesDas uumlbertragene H kann aus der ganzen Kette stammen Der Mechanismus isteigentlich komplizierter es treten intermediaumlr Ion-Molekuumll-Komplexe aufWegen der Delokalisierung der Ladung sind sowohl die C=X+-R als auch die R-C+-X-Bindung moumlgliche Positionen fuumlr die Onium-Rkt

a)

c)

OR

+OH+

+R

OR+

+

Vor allem Oxonium-Ionen zeigen neben Alkenverlust auch Aldehydverlust da die Differenz der Protonenaffinitaumlten von Aldehyd und Carbenium-Ion relativ gering istBei genuumlgender innerer Energie gehen alle Onium-Ionen beide Reaktionen ein

b)

NH2R+

+NH2R

R NH2++

OH +O

H

H

+

CO-Verlust aus Phenolen

- CO

mz 9428 u

mz 66

+

+

mz 65

- H

CO-Verlust tritt auszligerdem bei anderen ungesaumlttigten cyclischen Ketonen und beiAcylium-Ionen auf CO-Verlust kann eine thermische Rkt vor der Ionisation sein

- 23 -

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ortho-Effekt oder Retro-14-Addition

OMe

H

O

4

1

+ O+

- MeOH

Bei ortho-substituierten Benzol- und bei 18-substituierten Naphthalinderivatenkoumlnnen Fragmentierungen auftreten die nur durch Wechselwirkung beider Sub-stituenten moumlglich werden Dazu gehoumlren auch OH-Verluste aus Nitroaromaten

Referenzspektren

Anhand von Referenzspektren lassen sich gut substanzklassenspezifische Charakteristikaerkennen Deshalb kommt Spektrenbibliotheken eine groumlszligere Bedeutung als nur die direkteIdentifizierung einer unbekannten Verbindung zu

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- 25 -

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NISTEPANIH Mass Spectral Data Base 1998

Tabellen charakteristischer Fragmentionen und MassendifferenzenZur Beachtung

Diese Tabellen sind mit Vorsicht zu genieszligen Es gibt sicher noch viele andere isobareFragmentionen und Massendifferenzen Auszligerdem laumlszligt man sich all zu leicht auf einenbestimmten Interpretationsansatz festlegen

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

30 Amine primaumlre Amine falls

intensiver als homologe

Iminium-Ionen

NH2+

30 Nitroverbindungen NO+

31 Alkohole Ether Acetale wenn intensivstes der

Oxonium-Ionen prim

Alkohol

OH+

32 Sauerstoff meist Untergrund [O2]+

32 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [S]+

33 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [HS]+

34 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [H2S]+

35 Chlorverbindungen plus Isotop 37Cl [Cl]+

36 Chlorverbindungen HCl plus Isotop 37Cl [HCl]+

- 26 -

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

- 27 -

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

- 28 -

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

- 29 -

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

- 30 -

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 12: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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dieser feinen Kanaumlle wie ein kleines Channeltron wirkt Dies ist eine sog Microchannel plate(MCP ca 2ndash5 cm Durchmesser) Die groszlige Oberflaumlche erlaubt eine sehr empfindlicheDetektion eintreffender Ionen uumlber einen groszligen Raumwinkel (vorteilhaft bei TOF-MS)

Anstatt das Signal der gesamten MCP zusammenzufassen kann man es auch ortsaufgeloumlstregistrieren Solch ein Array-Detektor kann simultan einen bestimmten Massenbereich ( ca5ndash10 des eingestellten mz eines Sektorfeldgeraumlts) in 512ndash2048 Kanaumlle detektieren und soeine im Vergleich zum SEV 100-fach houmlhere Empfindlichkeit erreichen

DatensystemDie Leistungsfaumlhigkeit moderner Massenspektrometer wird zu einem nicht unerheblichen Teildurch das zur Meszligdatenerfassung und -auswertung verwendete Datensystem bestimmt Auchdie Geraumltesteuerung wird bei modernen Systemen ausschlieszliglich uumlber den Rechner ab-gewickelt Gute Software kann einen gewaltigen Beitrag zu Probendurchsatz undQualitaumltssicherung beisteuern (Leider fuumlhren fully automated and easy to use-Geraumlte nichtselten zu einem gewissen Dilettantismus in der MS)

Grundlagen der Spektreninterpretation

Isotopie der ElementeDie meisten Elemente sind keine Reinelemente d h sie kommen nicht monoisotopisch vorMan kann grob folgende massenspektrometrisch relevante Gruppen einteilen (fuumlr die uumlbrigenElemente sei auf die gaumlngige MS-Literatur verwiesen)

1 Reinelemente wie 19F 31P 127I oder 133Cs

2 Elemente mit einem Hauptisotop und ein oder zwei Begleitisotopen von sehr geringerHaumlufigkeit (lt 03 ) Dazu gehoumlren 1H 14N 16O Fuumlr die meisten Zwecke lassen sie sich wiedie Reinelemente beruumlcksichtigen

3 Elemente mit einem Hauptisotop und ein oder zwei Begleitisotopen von geringerHaumlufigkeit (lt 5 ) Dazu gehoumlren 12C 28Si und 32S

4 Elemente die mit zwei Isotopen vergleichbarer Haumlufigkeit auftreten wie 10B 11B oder dieHalogene 35Cl 37Cl und 79Br 81Br

5 Elemente mit mehreren Isotopen und relativ gleichmaumlszligiger Verteilung wie Hg Sn Ru etc

Information aus den IsotopenpeaksDie Haumlufigkeit der Molekuumlle die ein Molgewicht haben das 1 2 3 oder mehr Massen-einheiten uumlber dem Molgewicht des monoisotopischen Molekuumlls liegt haumlngt ab von derAnzahl der vorhandenen Atome und von der relativen Haumlufigkeit der Isotope in denbeteiligten Elementen

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Element M M+1 M+2Masse Masse Masse

H 1 100 2 0015 - -B 10 248 11 100 - -C 12 100 13 11 - -N 14 100 15 037 - -O 16 100 17 004 18 020F 19 100 - - - -Si 28 100 29 51 30 34P 31 100 - - - -S 32 100 33 08 34 44Cl 35 100 - - 37 320Br 79 100 - - 81 980I 127 100 - - - -

Tabelle 1 Isotopenverteilung einiger Elemente normiert auf das haumlufigste Isotop Es wurden nur die in der MSrelevanten Isotope der Elemente aufgefuumlhrt

Der 13C-PeakZwar hat jedes C-Atom nur zu 11 die Chance als 13C aufzutreten doch beim Kohlenstoffist 13C relevant da oft eine groszlige Zahl von C-Atomen in einem Molekuumll vorkommt ImMethan betraumlgt die Intensitaumlt des M+1 Peaks bei mz 17 daher etwa 11 der Intensitaumlt desPeaks bei mz 16 im Hexan hat M+1 mz 73 ca 66 der Intensitaumlt von mz 72

M+1 M+2 M+1 M+2 M+3C1 11 0 C20 22 23 02C2 22 001 C30 33 52 05C4 44 007 C40 44 94 13C6 66 018 C50 55 15 15

C10 110 054 C60 66 21 46C14 154 11 C100 110 60 22

Tabelle 2 Beitraumlge zum M+1 M+2 und M+3 Signal in rel des monoisotopischen Signals durch 13C-Anteil inCn-Verbindungen

M+2 ElementeBei Elementen die hauptsaumlchlich ein schweres Isotop in groumlszligerer Haumlufigkeit enthalten wieSchwefel Silicium Chlor und Brom kann die Isotopenverteilung nach folgendem verein-fachten Ausdruck berechnet werden

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(a + b)n

a ist die relative Haumlufigkeit des leichten Isotopsb ist die relative Haumlufigkeit des schweren Isotopsn ist die Anzahl der Atome des betrachteten Elements im Molekuumll

Si und S zeigen kleine aber deutliche Isotopenpeaks die einen Ruumlckschluszlig auf dasVorhandensein dieser Elemente erlauben Bei Cl und Br schlieszliglich machen die Isotopenpeaksderen Anwesenheit unverkennbarBesonders bei Si und S koumlnnen Uumlberlagerungen mit dem 13C- oder anderen Mustern leichtzum Verwischen fuumlhren Man beachte auszligerdem daszlig die Halogene M M+2 M+4 M+6liefern waumlhrend der Abstand bei Si und S nur 1 u betraumlgt In allen Faumlllen muszlig x (Abb 10)mindestens der Masse der Elementkombination entsprechen z B x = 70 bei Cl2 sonst kannes sich nicht um ein Isotopenmuster handeln

Si Si2 Si3

x +2 x +2 x +2

5134

1071

1511

x +2 x +2

S S2

44 88

Abb 10 Die wichtigsten Isotopenmuster der organischen MS Hier sind die Muster der jeweiligen Elemente sogezeigt wie sie sich ohne Uumlberlagerung mit dem Isotopenmuster des Kohlenstoffs ergeben

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exakteIsotopenmasse

relativeHaumlufigkeit

Massen-uumlberschuszlig

relativeAtommasse

Isotop Nominal-masse

amu mmu amu

1H 1 1007825 99985 782 100792H 2 2014102 0015 141010B 10 10012938 199 1294 1081111B 11 11009305 801 93012C 12 12000000 9890 0 1201113C 13 13003355 110 33514N 14 14003074 99634 307 14006715N 15 15000109 0366 01116O 16 15994915 99762 -508 15999417O 16 16999131 0038 -08618O 18 17999159 0200 -08419F 19 18998403 1000 -159 189984

23Na 23 22989770 1000 -1023 22989828Si 28 27976928 9223 -2307 28085529Si 29 28976496 467 -235030Si 30 29973772 310 -262331P 31 30973763 1000 -2623 30973832S 32 31972072 9502 -2792 3206633S 33 32971459 075 -285434S 34 33967868 421 -3213

35Cl 35 34968853 7577 -3114 35452737Cl 37 36965903 2423 -341039K 39 38963708 932581 -3629 39098340K 40 39963999 00117 -360041K 41 40961825 67302 -381879Br 79 78918336 5069 -8165 7990481Br 81 80916290 4931 -8365127J 127 126904477 1000 -9564 1269044

Tabelle 3 Isotopenhaumlufigkeit exakte Isotopenmassen und relative chemische Atommassen einiger Elemente

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Hochaufloumlsende Massenspektrometrie und exakte Masse

Die relativen Atommassen sind nach IUPAC auf Kohlenstoff bezogen Genauer eineatomare Masseneinheit equiv 1 u equiv 112 der Masse des Kohlenstoffisotops 12C Neben u sind auchdie Bezeichnungen amu (atomic mass unit) und Da (Dalton) in Gebrauch(Die Definition vor 1961 war 1 Masseneinheit ME equiv 116 der Masse Sauerstoffisotops 16ODamit ergeben sich geringfuumlgig andere Atommassen Man muszlig deshalb auf das Erscheinungs-jahr von Massentabellen achten)

MassendefektDie Differenz von exakter Masse zu Nominalmasse wird als Massendefekt (mass deficiency)bzw Massenuumlberschuszlig bezeichnet Alkane und Alkylionen besitzen wegen ihres hohen 1H-Gehalts den groumlszligten Massenuumlberschuszlig dann folgen Amide und Peptide Polyether undPolyalkohole wie Oligosaccharide Kohlenstoff als 12C hat definitionsgemaumlszlig keinenMassendefekt Massendefekte werden oft in halogenierten Verbindungen und generell beimVorliegen von Schweratomen beobachtet Bereits ab mz 500 kann man mit Nominalmassen(H 1 u C 12 u O 16 u ) schon deutlich falsch liegen Das Molkuumllion von C36H74 mz5065790 ist nominal noch mz 506 wuumlrde aber von einem Datensystem ggf zu mz 507aufgerundet Deshalb ist auch bei Verwendung der Nominalmasse eine Dezimalstelleangebracht z B mz 5066

-04-02

002040608

112141618

222242628

3

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

nominale Molmasse (amu)

Mas

send

efek

t (am

u) KohlenstoffNylon-66PEGPTFEPVCPE

Abb 11 Zu bestimmten Gruppen von Summenformeln gehoumlren charakteristische MassendefekteIm Falle von elementarem Kohlenstoff zB bei Fullerenen ist der Wert immer 0 amu Typischeorganische Verbindungen dagegen zeigen Werte von 05-10 amu pro 1000 amu TretenUumlbergangsmetalle oder Halogene auf ist der Wert deutlich verringert und kann sogar unter dieNominalmasse fallen zB bei PFK

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Bestimmung der SummenformelMit doppelfokussierenden Magnetsektorfeldgeraumlten sind Massenaufloumlsungen uumlber 10000 zuerreichen (high resolution HR) So lassen sich Gemische isotopomerer Ionen gleicherNominalmasse wegen ihrer unterschiedlichen exakten Massen trennen und den isotopischenZusammensetzungen zuordnen vorausgesetzt es gelingt eine Zuordnung der Peaks zu einerexakten Masse Dazu verwendet man eine Kalibriersubstanz mit Signalen bekannter exakterMassen als interne Standardisierung der Massenskala Perfluorkerosin (PFK) und andereperfluorierte Verbindungen werden fuumlr die externe Kalibrierung und auch als internerMassenstandard in der EI-HR-MS eingesetzt da sie Ionen mit deutlichem Massendefektbilden die normalerweise leicht von den zu untersuchenden Ionen getrennt werden Ohneinternen Standard waumlre z B bei Auftreten von nur einem der beiden Signale nicht zwischen40Ar+ mz 399624 und C3H4+ mz 400313 zu unterscheiden Demnach werden durchHR-MS Ionenmassen abgesichert und auch zwischen nominal isobaren Eliminierungen z Bvon N2 CO undoder C2H4 kann man klar differenzieren

Mit zunehmender Molmasse kommen jedoch viele Summenformeln in einem experimentellenFehlerbereich von 2ndash5 mmu (milli u) in Frage Bei mz 500 entsprechen 5 mmu einer relativenAbweichung von 10 ppm bei mz 2000 aber nur noch 25 ppm Die Auswahl anSummenformeln im Fehlerintervall wird allerdings oft durch ergaumlnzende Informationeneingeengt Solche Limitierungen ergeben sich aus der Herkunft der Probe (z B nur C H13N und lt 4 O) oder aus dem Isotopenmuster des Molekuumllions (zB 1 Br kein S)

In der Massenspektrometrie kommt der Bestimmung der Summenformel einer unbekanntenSubstanz eine zentrale Bedeutung zu Zwar lassen sich oft schon weitgehende Ruumlckschluumlsseaus dem Isotopenmuster des Molekuumllions ziehen doch eine exakte Massenmessung stellt dieverlaumlszliglichere Information dar da ggf eine Uumlberlagerung des 13C Peaks mit einem [M+H]+

Peak unbekannter Intensitaumlt das Isotopenmuster verfaumllschen Auszligerdem haumlngt der 13C-Gehaltvon der Herkunft der Probe ab was die Bestimmung der Anzahl C-Atome aus dem M+1 Peaklimitiert

Herkunft des Kohlenstoffs 13C

atmosphaumlrisches CO2 1106C3-Pflanzen 1080C4-Pflanzen 1095fossile Stoffe 106-108

Tabelle 4 13C-Gehalt von Kohlenstoff in Abhaumlngigkeit von seiner Herkunft Generell ist der Gehalt derschwereren Isotope in aumlquatorialen Breiten houmlher als in polnahen Regionen

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Ringe plus Doppelbindungen

Wegen der jeweils eigenen Anzahl Valenzen der Elemente berechnet sich die Summe derRinge plus Doppelbindungen r + d (auch Doppelbindungsaumlquivalente DBAuml unsaturationUS) fuumlr ein Molekuumllion der Formel CcHhNnOo nach der Gleichung

r + d = c - 05 h + 05 n + 1Wendet man die Formel auf Pyridin C5H5N an so ergibt sich

r + d = 5 - 05bull5 + 05bull1 + 1 = 5 - 25 + 05 + 1 = 4

Bei Fragmentionen kann der berechnete Wert von r + d auch 05 15 betragen Um denkorrekten Wert zu erhalten rundet man auf die ganze Zahl ab Fuumlr das BenzoylkationC7H5O+ erhaumllt man

r + d = 7 - 05bull5 + 1 = 55

was als r + d = 5 zu interpretieren ist Die Aussage ist dann korrekt wenn man die Fragment-ionen als Carbeniumionen schreibt

O O+

+N N+ +

Treten andere Elemente auf so werden sie nach der Zahl ihrer Valenzen beruumlcksichtigt Sizaumlhlt zu C P zu N S zu O Hal zu H Wenn Elemente houmlhere Valenzen erreichen als in derFormel angenommen werden falsche Werte fuumlr r + d errechnet z B bei SulfoxidenSulfonen Phosphaten Fuumlr jeweils zwei Valenzen mehr als oben angenommen muumlszligte man dieFormel um +1 ergaumlnzen z B Phosphorsaumluretrimethylester C3H9O3P mit 5- statt 3-bindigemPhosphor

r + d = 3 - 45 + 05 + 2 = 1

Man erhaumllt durch diese Rechnung eine Limitierung der Anzahl Strukturvorschlaumlge zu einerSummenformel

Fragmentierungsreaktionen

Ein nicht unwesentlicher Teil der Interpretation von Massenspektren laumlszligt sich durchAnwendung von Zerfallsschemata erreichen Dazu muszlig man die wichtigsten Frag-mentierungsreaktionen verschiedener Ionenspezies kennen Nicht jeder Peak laumlszligt sich sovernuumlnftig erklaumlren Viele Reaktionen sind spezifisch fuumlr eine kleine Gruppe von Ionen ImZweifel ist die Fachliteratur zu Rate zu ziehen Fuumlr die im Kurs abgedeckten Substanzklassenist der Umfang nachfolgender Zusammenstellung ausreichend

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Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen

αααα-Spaltung aktivierter Bindungen

R

O+

α1

α2

RO+

+

O+

R +

α1

α2

Bildung der thermodynamischstabileren Produktpaarung ausIon und Radikal ist bevorzugt

Es wird eine zum Heteroatom α-staumlndigeBindung homolytischgespalten

O+

α

α O+

+ CH3 Das Heteroatom kann

exostaumlndig oder Teileiner Kette sein

O+

H

O+

H

O+

α 15-Hα

O+

+

In alicyclischen Systemen tritt doppelte α-Spaltung unter Umlagerung uumlber distonische Intermediate auf

Als Konkurrenzreaktionwird aber auch die andereProduktpaarung gebildet Deshalb findet man oft zurAbspaltung des Radikals nauch das korrespondierendeIon n+

+

+

R

O

OR

O+

α1

α2

R +

+

α1

α2

Allylspaltung

+

+

+

+

In Alkenen wird bevorzugt die allylische Bindung gespalten wobei das Allylkationgebildet wird

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Alkylspaltung und Olefinverlust aus Alkylkationen

+

+

C2H5

+

C3H7

+ +

- C2H4 28 u

Molekuumllionen mit Alkylketten spalten unselektiv entlang der Kette Alkylradikale abDie gebildeten Alkylkationen gehen Kettenverkuumlrzungen unter Alkenverlust einDaneben treten Isomerisierungen aller Ionenspezies auf

mz 43- CH3

--

Benzylspaltung

+

- C4H9 - C2H2 26 u

mz 77 mz 51

+ +

- C3H7

In Alkylaromaten wird bevorzugt die benzylische Bindung gespalten Es treten die typischen Ionen mz 91 77 65 51 39 oder deren Homologeauf Das Ausmaszlig der Isomerisierung ist verschieden Diese Serie kann aber auch aus nichtaromatischen Ionen gebildet werden wenn die Summenformel C7H7 zustande kommt

- C2H2 26 u

+

+ + +

mz 91 mz 65

- C2H2 26 u

C3H3+

mz 39

+

Die Spaltung der phenylischen Bindung fuumlhrt zu den Ionen bei mz 77 51 Sie ist beiAlkylaromaten weniger bevorzugt

Benzoylverbindungen dagegen bilden durch αminusSpaltung zunaumlchstdas Benzoylkation das unter CO-Verlust zu mz 77 51 weiterfragmentiert

O

R ++

mz 51mz 77

- C2H2 26 u

+

- R

α

+O

- CO 28 u

mz 105

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McLafferty-Umlagerung (ββββ-Spaltung mit γγγγ-H-Transfer)

OH R+

ORH+

15-H OH R+

+

In Molekuumllionen mit C=X-Doppelbindung tritt McLafferty-Umlagerung auf wenn ein γ-H-Atomuumlber die Sechsringkonformation auf X uumlbertragen werden kann Es tritt Alkenverlust aufMan kann die Umlagerung auch konzertiert formulieren

a)

b)

N

H R

+15-H-

N

R+

NR

++

In closed-shell Ionen wird ein analoger Prozeszlig beobachtet Onium-Ionen eliminieren einAlken-Molekuumll unter Bildung eines neuen Onium-Ions

c)

H

R + R

HH

+ HH

+

mz 92

+

R

Alkylaromaten bilden neben der Benzylspaltung mz 92oder Homologe durch McLafferty-Umlagerung DasIon mz 92 ist ein Isomer des Toluol-Molekuumllions

15-H

Eine andere Moumlglichkeit ein Alken aus dem Molekuumllion zu eliminieren ist die

AB

+

A B++

+BAA

B

+

+

Molekuumllionen und closed-shellIonen mit einem Sechsringsystemdas eine Doppelbindung enthaumlltgehen RDA ein Die Dien-Komponentetraumlgt bevorzugt die LadungEs koumlnnen Heteroatome enthalten sein

Retro-Diels-Alder-Reaktion RDA

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R

++N

R

H

Onium-Reaktion

+ HN

Onium-Ionen zeigen Alkenverluste unter Abspaltung des gesamten AlkylrestesDas uumlbertragene H kann aus der ganzen Kette stammen Der Mechanismus isteigentlich komplizierter es treten intermediaumlr Ion-Molekuumll-Komplexe aufWegen der Delokalisierung der Ladung sind sowohl die C=X+-R als auch die R-C+-X-Bindung moumlgliche Positionen fuumlr die Onium-Rkt

a)

c)

OR

+OH+

+R

OR+

+

Vor allem Oxonium-Ionen zeigen neben Alkenverlust auch Aldehydverlust da die Differenz der Protonenaffinitaumlten von Aldehyd und Carbenium-Ion relativ gering istBei genuumlgender innerer Energie gehen alle Onium-Ionen beide Reaktionen ein

b)

NH2R+

+NH2R

R NH2++

OH +O

H

H

+

CO-Verlust aus Phenolen

- CO

mz 9428 u

mz 66

+

+

mz 65

- H

CO-Verlust tritt auszligerdem bei anderen ungesaumlttigten cyclischen Ketonen und beiAcylium-Ionen auf CO-Verlust kann eine thermische Rkt vor der Ionisation sein

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ortho-Effekt oder Retro-14-Addition

OMe

H

O

4

1

+ O+

- MeOH

Bei ortho-substituierten Benzol- und bei 18-substituierten Naphthalinderivatenkoumlnnen Fragmentierungen auftreten die nur durch Wechselwirkung beider Sub-stituenten moumlglich werden Dazu gehoumlren auch OH-Verluste aus Nitroaromaten

Referenzspektren

Anhand von Referenzspektren lassen sich gut substanzklassenspezifische Charakteristikaerkennen Deshalb kommt Spektrenbibliotheken eine groumlszligere Bedeutung als nur die direkteIdentifizierung einer unbekannten Verbindung zu

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NISTEPANIH Mass Spectral Data Base 1998

Tabellen charakteristischer Fragmentionen und MassendifferenzenZur Beachtung

Diese Tabellen sind mit Vorsicht zu genieszligen Es gibt sicher noch viele andere isobareFragmentionen und Massendifferenzen Auszligerdem laumlszligt man sich all zu leicht auf einenbestimmten Interpretationsansatz festlegen

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

30 Amine primaumlre Amine falls

intensiver als homologe

Iminium-Ionen

NH2+

30 Nitroverbindungen NO+

31 Alkohole Ether Acetale wenn intensivstes der

Oxonium-Ionen prim

Alkohol

OH+

32 Sauerstoff meist Untergrund [O2]+

32 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [S]+

33 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [HS]+

34 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [H2S]+

35 Chlorverbindungen plus Isotop 37Cl [Cl]+

36 Chlorverbindungen HCl plus Isotop 37Cl [HCl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 13: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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Element M M+1 M+2Masse Masse Masse

H 1 100 2 0015 - -B 10 248 11 100 - -C 12 100 13 11 - -N 14 100 15 037 - -O 16 100 17 004 18 020F 19 100 - - - -Si 28 100 29 51 30 34P 31 100 - - - -S 32 100 33 08 34 44Cl 35 100 - - 37 320Br 79 100 - - 81 980I 127 100 - - - -

Tabelle 1 Isotopenverteilung einiger Elemente normiert auf das haumlufigste Isotop Es wurden nur die in der MSrelevanten Isotope der Elemente aufgefuumlhrt

Der 13C-PeakZwar hat jedes C-Atom nur zu 11 die Chance als 13C aufzutreten doch beim Kohlenstoffist 13C relevant da oft eine groszlige Zahl von C-Atomen in einem Molekuumll vorkommt ImMethan betraumlgt die Intensitaumlt des M+1 Peaks bei mz 17 daher etwa 11 der Intensitaumlt desPeaks bei mz 16 im Hexan hat M+1 mz 73 ca 66 der Intensitaumlt von mz 72

M+1 M+2 M+1 M+2 M+3C1 11 0 C20 22 23 02C2 22 001 C30 33 52 05C4 44 007 C40 44 94 13C6 66 018 C50 55 15 15

C10 110 054 C60 66 21 46C14 154 11 C100 110 60 22

Tabelle 2 Beitraumlge zum M+1 M+2 und M+3 Signal in rel des monoisotopischen Signals durch 13C-Anteil inCn-Verbindungen

M+2 ElementeBei Elementen die hauptsaumlchlich ein schweres Isotop in groumlszligerer Haumlufigkeit enthalten wieSchwefel Silicium Chlor und Brom kann die Isotopenverteilung nach folgendem verein-fachten Ausdruck berechnet werden

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(a + b)n

a ist die relative Haumlufigkeit des leichten Isotopsb ist die relative Haumlufigkeit des schweren Isotopsn ist die Anzahl der Atome des betrachteten Elements im Molekuumll

Si und S zeigen kleine aber deutliche Isotopenpeaks die einen Ruumlckschluszlig auf dasVorhandensein dieser Elemente erlauben Bei Cl und Br schlieszliglich machen die Isotopenpeaksderen Anwesenheit unverkennbarBesonders bei Si und S koumlnnen Uumlberlagerungen mit dem 13C- oder anderen Mustern leichtzum Verwischen fuumlhren Man beachte auszligerdem daszlig die Halogene M M+2 M+4 M+6liefern waumlhrend der Abstand bei Si und S nur 1 u betraumlgt In allen Faumlllen muszlig x (Abb 10)mindestens der Masse der Elementkombination entsprechen z B x = 70 bei Cl2 sonst kannes sich nicht um ein Isotopenmuster handeln

Si Si2 Si3

x +2 x +2 x +2

5134

1071

1511

x +2 x +2

S S2

44 88

Abb 10 Die wichtigsten Isotopenmuster der organischen MS Hier sind die Muster der jeweiligen Elemente sogezeigt wie sie sich ohne Uumlberlagerung mit dem Isotopenmuster des Kohlenstoffs ergeben

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exakteIsotopenmasse

relativeHaumlufigkeit

Massen-uumlberschuszlig

relativeAtommasse

Isotop Nominal-masse

amu mmu amu

1H 1 1007825 99985 782 100792H 2 2014102 0015 141010B 10 10012938 199 1294 1081111B 11 11009305 801 93012C 12 12000000 9890 0 1201113C 13 13003355 110 33514N 14 14003074 99634 307 14006715N 15 15000109 0366 01116O 16 15994915 99762 -508 15999417O 16 16999131 0038 -08618O 18 17999159 0200 -08419F 19 18998403 1000 -159 189984

23Na 23 22989770 1000 -1023 22989828Si 28 27976928 9223 -2307 28085529Si 29 28976496 467 -235030Si 30 29973772 310 -262331P 31 30973763 1000 -2623 30973832S 32 31972072 9502 -2792 3206633S 33 32971459 075 -285434S 34 33967868 421 -3213

35Cl 35 34968853 7577 -3114 35452737Cl 37 36965903 2423 -341039K 39 38963708 932581 -3629 39098340K 40 39963999 00117 -360041K 41 40961825 67302 -381879Br 79 78918336 5069 -8165 7990481Br 81 80916290 4931 -8365127J 127 126904477 1000 -9564 1269044

Tabelle 3 Isotopenhaumlufigkeit exakte Isotopenmassen und relative chemische Atommassen einiger Elemente

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Hochaufloumlsende Massenspektrometrie und exakte Masse

Die relativen Atommassen sind nach IUPAC auf Kohlenstoff bezogen Genauer eineatomare Masseneinheit equiv 1 u equiv 112 der Masse des Kohlenstoffisotops 12C Neben u sind auchdie Bezeichnungen amu (atomic mass unit) und Da (Dalton) in Gebrauch(Die Definition vor 1961 war 1 Masseneinheit ME equiv 116 der Masse Sauerstoffisotops 16ODamit ergeben sich geringfuumlgig andere Atommassen Man muszlig deshalb auf das Erscheinungs-jahr von Massentabellen achten)

MassendefektDie Differenz von exakter Masse zu Nominalmasse wird als Massendefekt (mass deficiency)bzw Massenuumlberschuszlig bezeichnet Alkane und Alkylionen besitzen wegen ihres hohen 1H-Gehalts den groumlszligten Massenuumlberschuszlig dann folgen Amide und Peptide Polyether undPolyalkohole wie Oligosaccharide Kohlenstoff als 12C hat definitionsgemaumlszlig keinenMassendefekt Massendefekte werden oft in halogenierten Verbindungen und generell beimVorliegen von Schweratomen beobachtet Bereits ab mz 500 kann man mit Nominalmassen(H 1 u C 12 u O 16 u ) schon deutlich falsch liegen Das Molkuumllion von C36H74 mz5065790 ist nominal noch mz 506 wuumlrde aber von einem Datensystem ggf zu mz 507aufgerundet Deshalb ist auch bei Verwendung der Nominalmasse eine Dezimalstelleangebracht z B mz 5066

-04-02

002040608

112141618

222242628

3

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

nominale Molmasse (amu)

Mas

send

efek

t (am

u) KohlenstoffNylon-66PEGPTFEPVCPE

Abb 11 Zu bestimmten Gruppen von Summenformeln gehoumlren charakteristische MassendefekteIm Falle von elementarem Kohlenstoff zB bei Fullerenen ist der Wert immer 0 amu Typischeorganische Verbindungen dagegen zeigen Werte von 05-10 amu pro 1000 amu TretenUumlbergangsmetalle oder Halogene auf ist der Wert deutlich verringert und kann sogar unter dieNominalmasse fallen zB bei PFK

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Bestimmung der SummenformelMit doppelfokussierenden Magnetsektorfeldgeraumlten sind Massenaufloumlsungen uumlber 10000 zuerreichen (high resolution HR) So lassen sich Gemische isotopomerer Ionen gleicherNominalmasse wegen ihrer unterschiedlichen exakten Massen trennen und den isotopischenZusammensetzungen zuordnen vorausgesetzt es gelingt eine Zuordnung der Peaks zu einerexakten Masse Dazu verwendet man eine Kalibriersubstanz mit Signalen bekannter exakterMassen als interne Standardisierung der Massenskala Perfluorkerosin (PFK) und andereperfluorierte Verbindungen werden fuumlr die externe Kalibrierung und auch als internerMassenstandard in der EI-HR-MS eingesetzt da sie Ionen mit deutlichem Massendefektbilden die normalerweise leicht von den zu untersuchenden Ionen getrennt werden Ohneinternen Standard waumlre z B bei Auftreten von nur einem der beiden Signale nicht zwischen40Ar+ mz 399624 und C3H4+ mz 400313 zu unterscheiden Demnach werden durchHR-MS Ionenmassen abgesichert und auch zwischen nominal isobaren Eliminierungen z Bvon N2 CO undoder C2H4 kann man klar differenzieren

Mit zunehmender Molmasse kommen jedoch viele Summenformeln in einem experimentellenFehlerbereich von 2ndash5 mmu (milli u) in Frage Bei mz 500 entsprechen 5 mmu einer relativenAbweichung von 10 ppm bei mz 2000 aber nur noch 25 ppm Die Auswahl anSummenformeln im Fehlerintervall wird allerdings oft durch ergaumlnzende Informationeneingeengt Solche Limitierungen ergeben sich aus der Herkunft der Probe (z B nur C H13N und lt 4 O) oder aus dem Isotopenmuster des Molekuumllions (zB 1 Br kein S)

In der Massenspektrometrie kommt der Bestimmung der Summenformel einer unbekanntenSubstanz eine zentrale Bedeutung zu Zwar lassen sich oft schon weitgehende Ruumlckschluumlsseaus dem Isotopenmuster des Molekuumllions ziehen doch eine exakte Massenmessung stellt dieverlaumlszliglichere Information dar da ggf eine Uumlberlagerung des 13C Peaks mit einem [M+H]+

Peak unbekannter Intensitaumlt das Isotopenmuster verfaumllschen Auszligerdem haumlngt der 13C-Gehaltvon der Herkunft der Probe ab was die Bestimmung der Anzahl C-Atome aus dem M+1 Peaklimitiert

Herkunft des Kohlenstoffs 13C

atmosphaumlrisches CO2 1106C3-Pflanzen 1080C4-Pflanzen 1095fossile Stoffe 106-108

Tabelle 4 13C-Gehalt von Kohlenstoff in Abhaumlngigkeit von seiner Herkunft Generell ist der Gehalt derschwereren Isotope in aumlquatorialen Breiten houmlher als in polnahen Regionen

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Ringe plus Doppelbindungen

Wegen der jeweils eigenen Anzahl Valenzen der Elemente berechnet sich die Summe derRinge plus Doppelbindungen r + d (auch Doppelbindungsaumlquivalente DBAuml unsaturationUS) fuumlr ein Molekuumllion der Formel CcHhNnOo nach der Gleichung

r + d = c - 05 h + 05 n + 1Wendet man die Formel auf Pyridin C5H5N an so ergibt sich

r + d = 5 - 05bull5 + 05bull1 + 1 = 5 - 25 + 05 + 1 = 4

Bei Fragmentionen kann der berechnete Wert von r + d auch 05 15 betragen Um denkorrekten Wert zu erhalten rundet man auf die ganze Zahl ab Fuumlr das BenzoylkationC7H5O+ erhaumllt man

r + d = 7 - 05bull5 + 1 = 55

was als r + d = 5 zu interpretieren ist Die Aussage ist dann korrekt wenn man die Fragment-ionen als Carbeniumionen schreibt

O O+

+N N+ +

Treten andere Elemente auf so werden sie nach der Zahl ihrer Valenzen beruumlcksichtigt Sizaumlhlt zu C P zu N S zu O Hal zu H Wenn Elemente houmlhere Valenzen erreichen als in derFormel angenommen werden falsche Werte fuumlr r + d errechnet z B bei SulfoxidenSulfonen Phosphaten Fuumlr jeweils zwei Valenzen mehr als oben angenommen muumlszligte man dieFormel um +1 ergaumlnzen z B Phosphorsaumluretrimethylester C3H9O3P mit 5- statt 3-bindigemPhosphor

r + d = 3 - 45 + 05 + 2 = 1

Man erhaumllt durch diese Rechnung eine Limitierung der Anzahl Strukturvorschlaumlge zu einerSummenformel

Fragmentierungsreaktionen

Ein nicht unwesentlicher Teil der Interpretation von Massenspektren laumlszligt sich durchAnwendung von Zerfallsschemata erreichen Dazu muszlig man die wichtigsten Frag-mentierungsreaktionen verschiedener Ionenspezies kennen Nicht jeder Peak laumlszligt sich sovernuumlnftig erklaumlren Viele Reaktionen sind spezifisch fuumlr eine kleine Gruppe von Ionen ImZweifel ist die Fachliteratur zu Rate zu ziehen Fuumlr die im Kurs abgedeckten Substanzklassenist der Umfang nachfolgender Zusammenstellung ausreichend

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Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen

αααα-Spaltung aktivierter Bindungen

R

O+

α1

α2

RO+

+

O+

R +

α1

α2

Bildung der thermodynamischstabileren Produktpaarung ausIon und Radikal ist bevorzugt

Es wird eine zum Heteroatom α-staumlndigeBindung homolytischgespalten

O+

α

α O+

+ CH3 Das Heteroatom kann

exostaumlndig oder Teileiner Kette sein

O+

H

O+

H

O+

α 15-Hα

O+

+

In alicyclischen Systemen tritt doppelte α-Spaltung unter Umlagerung uumlber distonische Intermediate auf

Als Konkurrenzreaktionwird aber auch die andereProduktpaarung gebildet Deshalb findet man oft zurAbspaltung des Radikals nauch das korrespondierendeIon n+

+

+

R

O

OR

O+

α1

α2

R +

+

α1

α2

Allylspaltung

+

+

+

+

In Alkenen wird bevorzugt die allylische Bindung gespalten wobei das Allylkationgebildet wird

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Alkylspaltung und Olefinverlust aus Alkylkationen

+

+

C2H5

+

C3H7

+ +

- C2H4 28 u

Molekuumllionen mit Alkylketten spalten unselektiv entlang der Kette Alkylradikale abDie gebildeten Alkylkationen gehen Kettenverkuumlrzungen unter Alkenverlust einDaneben treten Isomerisierungen aller Ionenspezies auf

mz 43- CH3

--

Benzylspaltung

+

- C4H9 - C2H2 26 u

mz 77 mz 51

+ +

- C3H7

In Alkylaromaten wird bevorzugt die benzylische Bindung gespalten Es treten die typischen Ionen mz 91 77 65 51 39 oder deren Homologeauf Das Ausmaszlig der Isomerisierung ist verschieden Diese Serie kann aber auch aus nichtaromatischen Ionen gebildet werden wenn die Summenformel C7H7 zustande kommt

- C2H2 26 u

+

+ + +

mz 91 mz 65

- C2H2 26 u

C3H3+

mz 39

+

Die Spaltung der phenylischen Bindung fuumlhrt zu den Ionen bei mz 77 51 Sie ist beiAlkylaromaten weniger bevorzugt

Benzoylverbindungen dagegen bilden durch αminusSpaltung zunaumlchstdas Benzoylkation das unter CO-Verlust zu mz 77 51 weiterfragmentiert

O

R ++

mz 51mz 77

- C2H2 26 u

+

- R

α

+O

- CO 28 u

mz 105

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McLafferty-Umlagerung (ββββ-Spaltung mit γγγγ-H-Transfer)

OH R+

ORH+

15-H OH R+

+

In Molekuumllionen mit C=X-Doppelbindung tritt McLafferty-Umlagerung auf wenn ein γ-H-Atomuumlber die Sechsringkonformation auf X uumlbertragen werden kann Es tritt Alkenverlust aufMan kann die Umlagerung auch konzertiert formulieren

a)

b)

N

H R

+15-H-

N

R+

NR

++

In closed-shell Ionen wird ein analoger Prozeszlig beobachtet Onium-Ionen eliminieren einAlken-Molekuumll unter Bildung eines neuen Onium-Ions

c)

H

R + R

HH

+ HH

+

mz 92

+

R

Alkylaromaten bilden neben der Benzylspaltung mz 92oder Homologe durch McLafferty-Umlagerung DasIon mz 92 ist ein Isomer des Toluol-Molekuumllions

15-H

Eine andere Moumlglichkeit ein Alken aus dem Molekuumllion zu eliminieren ist die

AB

+

A B++

+BAA

B

+

+

Molekuumllionen und closed-shellIonen mit einem Sechsringsystemdas eine Doppelbindung enthaumlltgehen RDA ein Die Dien-Komponentetraumlgt bevorzugt die LadungEs koumlnnen Heteroatome enthalten sein

Retro-Diels-Alder-Reaktion RDA

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R

++N

R

H

Onium-Reaktion

+ HN

Onium-Ionen zeigen Alkenverluste unter Abspaltung des gesamten AlkylrestesDas uumlbertragene H kann aus der ganzen Kette stammen Der Mechanismus isteigentlich komplizierter es treten intermediaumlr Ion-Molekuumll-Komplexe aufWegen der Delokalisierung der Ladung sind sowohl die C=X+-R als auch die R-C+-X-Bindung moumlgliche Positionen fuumlr die Onium-Rkt

a)

c)

OR

+OH+

+R

OR+

+

Vor allem Oxonium-Ionen zeigen neben Alkenverlust auch Aldehydverlust da die Differenz der Protonenaffinitaumlten von Aldehyd und Carbenium-Ion relativ gering istBei genuumlgender innerer Energie gehen alle Onium-Ionen beide Reaktionen ein

b)

NH2R+

+NH2R

R NH2++

OH +O

H

H

+

CO-Verlust aus Phenolen

- CO

mz 9428 u

mz 66

+

+

mz 65

- H

CO-Verlust tritt auszligerdem bei anderen ungesaumlttigten cyclischen Ketonen und beiAcylium-Ionen auf CO-Verlust kann eine thermische Rkt vor der Ionisation sein

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ortho-Effekt oder Retro-14-Addition

OMe

H

O

4

1

+ O+

- MeOH

Bei ortho-substituierten Benzol- und bei 18-substituierten Naphthalinderivatenkoumlnnen Fragmentierungen auftreten die nur durch Wechselwirkung beider Sub-stituenten moumlglich werden Dazu gehoumlren auch OH-Verluste aus Nitroaromaten

Referenzspektren

Anhand von Referenzspektren lassen sich gut substanzklassenspezifische Charakteristikaerkennen Deshalb kommt Spektrenbibliotheken eine groumlszligere Bedeutung als nur die direkteIdentifizierung einer unbekannten Verbindung zu

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NISTEPANIH Mass Spectral Data Base 1998

Tabellen charakteristischer Fragmentionen und MassendifferenzenZur Beachtung

Diese Tabellen sind mit Vorsicht zu genieszligen Es gibt sicher noch viele andere isobareFragmentionen und Massendifferenzen Auszligerdem laumlszligt man sich all zu leicht auf einenbestimmten Interpretationsansatz festlegen

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

30 Amine primaumlre Amine falls

intensiver als homologe

Iminium-Ionen

NH2+

30 Nitroverbindungen NO+

31 Alkohole Ether Acetale wenn intensivstes der

Oxonium-Ionen prim

Alkohol

OH+

32 Sauerstoff meist Untergrund [O2]+

32 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [S]+

33 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [HS]+

34 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [H2S]+

35 Chlorverbindungen plus Isotop 37Cl [Cl]+

36 Chlorverbindungen HCl plus Isotop 37Cl [HCl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 14: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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(a + b)n

a ist die relative Haumlufigkeit des leichten Isotopsb ist die relative Haumlufigkeit des schweren Isotopsn ist die Anzahl der Atome des betrachteten Elements im Molekuumll

Si und S zeigen kleine aber deutliche Isotopenpeaks die einen Ruumlckschluszlig auf dasVorhandensein dieser Elemente erlauben Bei Cl und Br schlieszliglich machen die Isotopenpeaksderen Anwesenheit unverkennbarBesonders bei Si und S koumlnnen Uumlberlagerungen mit dem 13C- oder anderen Mustern leichtzum Verwischen fuumlhren Man beachte auszligerdem daszlig die Halogene M M+2 M+4 M+6liefern waumlhrend der Abstand bei Si und S nur 1 u betraumlgt In allen Faumlllen muszlig x (Abb 10)mindestens der Masse der Elementkombination entsprechen z B x = 70 bei Cl2 sonst kannes sich nicht um ein Isotopenmuster handeln

Si Si2 Si3

x +2 x +2 x +2

5134

1071

1511

x +2 x +2

S S2

44 88

Abb 10 Die wichtigsten Isotopenmuster der organischen MS Hier sind die Muster der jeweiligen Elemente sogezeigt wie sie sich ohne Uumlberlagerung mit dem Isotopenmuster des Kohlenstoffs ergeben

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exakteIsotopenmasse

relativeHaumlufigkeit

Massen-uumlberschuszlig

relativeAtommasse

Isotop Nominal-masse

amu mmu amu

1H 1 1007825 99985 782 100792H 2 2014102 0015 141010B 10 10012938 199 1294 1081111B 11 11009305 801 93012C 12 12000000 9890 0 1201113C 13 13003355 110 33514N 14 14003074 99634 307 14006715N 15 15000109 0366 01116O 16 15994915 99762 -508 15999417O 16 16999131 0038 -08618O 18 17999159 0200 -08419F 19 18998403 1000 -159 189984

23Na 23 22989770 1000 -1023 22989828Si 28 27976928 9223 -2307 28085529Si 29 28976496 467 -235030Si 30 29973772 310 -262331P 31 30973763 1000 -2623 30973832S 32 31972072 9502 -2792 3206633S 33 32971459 075 -285434S 34 33967868 421 -3213

35Cl 35 34968853 7577 -3114 35452737Cl 37 36965903 2423 -341039K 39 38963708 932581 -3629 39098340K 40 39963999 00117 -360041K 41 40961825 67302 -381879Br 79 78918336 5069 -8165 7990481Br 81 80916290 4931 -8365127J 127 126904477 1000 -9564 1269044

Tabelle 3 Isotopenhaumlufigkeit exakte Isotopenmassen und relative chemische Atommassen einiger Elemente

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Hochaufloumlsende Massenspektrometrie und exakte Masse

Die relativen Atommassen sind nach IUPAC auf Kohlenstoff bezogen Genauer eineatomare Masseneinheit equiv 1 u equiv 112 der Masse des Kohlenstoffisotops 12C Neben u sind auchdie Bezeichnungen amu (atomic mass unit) und Da (Dalton) in Gebrauch(Die Definition vor 1961 war 1 Masseneinheit ME equiv 116 der Masse Sauerstoffisotops 16ODamit ergeben sich geringfuumlgig andere Atommassen Man muszlig deshalb auf das Erscheinungs-jahr von Massentabellen achten)

MassendefektDie Differenz von exakter Masse zu Nominalmasse wird als Massendefekt (mass deficiency)bzw Massenuumlberschuszlig bezeichnet Alkane und Alkylionen besitzen wegen ihres hohen 1H-Gehalts den groumlszligten Massenuumlberschuszlig dann folgen Amide und Peptide Polyether undPolyalkohole wie Oligosaccharide Kohlenstoff als 12C hat definitionsgemaumlszlig keinenMassendefekt Massendefekte werden oft in halogenierten Verbindungen und generell beimVorliegen von Schweratomen beobachtet Bereits ab mz 500 kann man mit Nominalmassen(H 1 u C 12 u O 16 u ) schon deutlich falsch liegen Das Molkuumllion von C36H74 mz5065790 ist nominal noch mz 506 wuumlrde aber von einem Datensystem ggf zu mz 507aufgerundet Deshalb ist auch bei Verwendung der Nominalmasse eine Dezimalstelleangebracht z B mz 5066

-04-02

002040608

112141618

222242628

3

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

nominale Molmasse (amu)

Mas

send

efek

t (am

u) KohlenstoffNylon-66PEGPTFEPVCPE

Abb 11 Zu bestimmten Gruppen von Summenformeln gehoumlren charakteristische MassendefekteIm Falle von elementarem Kohlenstoff zB bei Fullerenen ist der Wert immer 0 amu Typischeorganische Verbindungen dagegen zeigen Werte von 05-10 amu pro 1000 amu TretenUumlbergangsmetalle oder Halogene auf ist der Wert deutlich verringert und kann sogar unter dieNominalmasse fallen zB bei PFK

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Bestimmung der SummenformelMit doppelfokussierenden Magnetsektorfeldgeraumlten sind Massenaufloumlsungen uumlber 10000 zuerreichen (high resolution HR) So lassen sich Gemische isotopomerer Ionen gleicherNominalmasse wegen ihrer unterschiedlichen exakten Massen trennen und den isotopischenZusammensetzungen zuordnen vorausgesetzt es gelingt eine Zuordnung der Peaks zu einerexakten Masse Dazu verwendet man eine Kalibriersubstanz mit Signalen bekannter exakterMassen als interne Standardisierung der Massenskala Perfluorkerosin (PFK) und andereperfluorierte Verbindungen werden fuumlr die externe Kalibrierung und auch als internerMassenstandard in der EI-HR-MS eingesetzt da sie Ionen mit deutlichem Massendefektbilden die normalerweise leicht von den zu untersuchenden Ionen getrennt werden Ohneinternen Standard waumlre z B bei Auftreten von nur einem der beiden Signale nicht zwischen40Ar+ mz 399624 und C3H4+ mz 400313 zu unterscheiden Demnach werden durchHR-MS Ionenmassen abgesichert und auch zwischen nominal isobaren Eliminierungen z Bvon N2 CO undoder C2H4 kann man klar differenzieren

Mit zunehmender Molmasse kommen jedoch viele Summenformeln in einem experimentellenFehlerbereich von 2ndash5 mmu (milli u) in Frage Bei mz 500 entsprechen 5 mmu einer relativenAbweichung von 10 ppm bei mz 2000 aber nur noch 25 ppm Die Auswahl anSummenformeln im Fehlerintervall wird allerdings oft durch ergaumlnzende Informationeneingeengt Solche Limitierungen ergeben sich aus der Herkunft der Probe (z B nur C H13N und lt 4 O) oder aus dem Isotopenmuster des Molekuumllions (zB 1 Br kein S)

In der Massenspektrometrie kommt der Bestimmung der Summenformel einer unbekanntenSubstanz eine zentrale Bedeutung zu Zwar lassen sich oft schon weitgehende Ruumlckschluumlsseaus dem Isotopenmuster des Molekuumllions ziehen doch eine exakte Massenmessung stellt dieverlaumlszliglichere Information dar da ggf eine Uumlberlagerung des 13C Peaks mit einem [M+H]+

Peak unbekannter Intensitaumlt das Isotopenmuster verfaumllschen Auszligerdem haumlngt der 13C-Gehaltvon der Herkunft der Probe ab was die Bestimmung der Anzahl C-Atome aus dem M+1 Peaklimitiert

Herkunft des Kohlenstoffs 13C

atmosphaumlrisches CO2 1106C3-Pflanzen 1080C4-Pflanzen 1095fossile Stoffe 106-108

Tabelle 4 13C-Gehalt von Kohlenstoff in Abhaumlngigkeit von seiner Herkunft Generell ist der Gehalt derschwereren Isotope in aumlquatorialen Breiten houmlher als in polnahen Regionen

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Ringe plus Doppelbindungen

Wegen der jeweils eigenen Anzahl Valenzen der Elemente berechnet sich die Summe derRinge plus Doppelbindungen r + d (auch Doppelbindungsaumlquivalente DBAuml unsaturationUS) fuumlr ein Molekuumllion der Formel CcHhNnOo nach der Gleichung

r + d = c - 05 h + 05 n + 1Wendet man die Formel auf Pyridin C5H5N an so ergibt sich

r + d = 5 - 05bull5 + 05bull1 + 1 = 5 - 25 + 05 + 1 = 4

Bei Fragmentionen kann der berechnete Wert von r + d auch 05 15 betragen Um denkorrekten Wert zu erhalten rundet man auf die ganze Zahl ab Fuumlr das BenzoylkationC7H5O+ erhaumllt man

r + d = 7 - 05bull5 + 1 = 55

was als r + d = 5 zu interpretieren ist Die Aussage ist dann korrekt wenn man die Fragment-ionen als Carbeniumionen schreibt

O O+

+N N+ +

Treten andere Elemente auf so werden sie nach der Zahl ihrer Valenzen beruumlcksichtigt Sizaumlhlt zu C P zu N S zu O Hal zu H Wenn Elemente houmlhere Valenzen erreichen als in derFormel angenommen werden falsche Werte fuumlr r + d errechnet z B bei SulfoxidenSulfonen Phosphaten Fuumlr jeweils zwei Valenzen mehr als oben angenommen muumlszligte man dieFormel um +1 ergaumlnzen z B Phosphorsaumluretrimethylester C3H9O3P mit 5- statt 3-bindigemPhosphor

r + d = 3 - 45 + 05 + 2 = 1

Man erhaumllt durch diese Rechnung eine Limitierung der Anzahl Strukturvorschlaumlge zu einerSummenformel

Fragmentierungsreaktionen

Ein nicht unwesentlicher Teil der Interpretation von Massenspektren laumlszligt sich durchAnwendung von Zerfallsschemata erreichen Dazu muszlig man die wichtigsten Frag-mentierungsreaktionen verschiedener Ionenspezies kennen Nicht jeder Peak laumlszligt sich sovernuumlnftig erklaumlren Viele Reaktionen sind spezifisch fuumlr eine kleine Gruppe von Ionen ImZweifel ist die Fachliteratur zu Rate zu ziehen Fuumlr die im Kurs abgedeckten Substanzklassenist der Umfang nachfolgender Zusammenstellung ausreichend

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Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen

αααα-Spaltung aktivierter Bindungen

R

O+

α1

α2

RO+

+

O+

R +

α1

α2

Bildung der thermodynamischstabileren Produktpaarung ausIon und Radikal ist bevorzugt

Es wird eine zum Heteroatom α-staumlndigeBindung homolytischgespalten

O+

α

α O+

+ CH3 Das Heteroatom kann

exostaumlndig oder Teileiner Kette sein

O+

H

O+

H

O+

α 15-Hα

O+

+

In alicyclischen Systemen tritt doppelte α-Spaltung unter Umlagerung uumlber distonische Intermediate auf

Als Konkurrenzreaktionwird aber auch die andereProduktpaarung gebildet Deshalb findet man oft zurAbspaltung des Radikals nauch das korrespondierendeIon n+

+

+

R

O

OR

O+

α1

α2

R +

+

α1

α2

Allylspaltung

+

+

+

+

In Alkenen wird bevorzugt die allylische Bindung gespalten wobei das Allylkationgebildet wird

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Alkylspaltung und Olefinverlust aus Alkylkationen

+

+

C2H5

+

C3H7

+ +

- C2H4 28 u

Molekuumllionen mit Alkylketten spalten unselektiv entlang der Kette Alkylradikale abDie gebildeten Alkylkationen gehen Kettenverkuumlrzungen unter Alkenverlust einDaneben treten Isomerisierungen aller Ionenspezies auf

mz 43- CH3

--

Benzylspaltung

+

- C4H9 - C2H2 26 u

mz 77 mz 51

+ +

- C3H7

In Alkylaromaten wird bevorzugt die benzylische Bindung gespalten Es treten die typischen Ionen mz 91 77 65 51 39 oder deren Homologeauf Das Ausmaszlig der Isomerisierung ist verschieden Diese Serie kann aber auch aus nichtaromatischen Ionen gebildet werden wenn die Summenformel C7H7 zustande kommt

- C2H2 26 u

+

+ + +

mz 91 mz 65

- C2H2 26 u

C3H3+

mz 39

+

Die Spaltung der phenylischen Bindung fuumlhrt zu den Ionen bei mz 77 51 Sie ist beiAlkylaromaten weniger bevorzugt

Benzoylverbindungen dagegen bilden durch αminusSpaltung zunaumlchstdas Benzoylkation das unter CO-Verlust zu mz 77 51 weiterfragmentiert

O

R ++

mz 51mz 77

- C2H2 26 u

+

- R

α

+O

- CO 28 u

mz 105

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McLafferty-Umlagerung (ββββ-Spaltung mit γγγγ-H-Transfer)

OH R+

ORH+

15-H OH R+

+

In Molekuumllionen mit C=X-Doppelbindung tritt McLafferty-Umlagerung auf wenn ein γ-H-Atomuumlber die Sechsringkonformation auf X uumlbertragen werden kann Es tritt Alkenverlust aufMan kann die Umlagerung auch konzertiert formulieren

a)

b)

N

H R

+15-H-

N

R+

NR

++

In closed-shell Ionen wird ein analoger Prozeszlig beobachtet Onium-Ionen eliminieren einAlken-Molekuumll unter Bildung eines neuen Onium-Ions

c)

H

R + R

HH

+ HH

+

mz 92

+

R

Alkylaromaten bilden neben der Benzylspaltung mz 92oder Homologe durch McLafferty-Umlagerung DasIon mz 92 ist ein Isomer des Toluol-Molekuumllions

15-H

Eine andere Moumlglichkeit ein Alken aus dem Molekuumllion zu eliminieren ist die

AB

+

A B++

+BAA

B

+

+

Molekuumllionen und closed-shellIonen mit einem Sechsringsystemdas eine Doppelbindung enthaumlltgehen RDA ein Die Dien-Komponentetraumlgt bevorzugt die LadungEs koumlnnen Heteroatome enthalten sein

Retro-Diels-Alder-Reaktion RDA

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R

++N

R

H

Onium-Reaktion

+ HN

Onium-Ionen zeigen Alkenverluste unter Abspaltung des gesamten AlkylrestesDas uumlbertragene H kann aus der ganzen Kette stammen Der Mechanismus isteigentlich komplizierter es treten intermediaumlr Ion-Molekuumll-Komplexe aufWegen der Delokalisierung der Ladung sind sowohl die C=X+-R als auch die R-C+-X-Bindung moumlgliche Positionen fuumlr die Onium-Rkt

a)

c)

OR

+OH+

+R

OR+

+

Vor allem Oxonium-Ionen zeigen neben Alkenverlust auch Aldehydverlust da die Differenz der Protonenaffinitaumlten von Aldehyd und Carbenium-Ion relativ gering istBei genuumlgender innerer Energie gehen alle Onium-Ionen beide Reaktionen ein

b)

NH2R+

+NH2R

R NH2++

OH +O

H

H

+

CO-Verlust aus Phenolen

- CO

mz 9428 u

mz 66

+

+

mz 65

- H

CO-Verlust tritt auszligerdem bei anderen ungesaumlttigten cyclischen Ketonen und beiAcylium-Ionen auf CO-Verlust kann eine thermische Rkt vor der Ionisation sein

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ortho-Effekt oder Retro-14-Addition

OMe

H

O

4

1

+ O+

- MeOH

Bei ortho-substituierten Benzol- und bei 18-substituierten Naphthalinderivatenkoumlnnen Fragmentierungen auftreten die nur durch Wechselwirkung beider Sub-stituenten moumlglich werden Dazu gehoumlren auch OH-Verluste aus Nitroaromaten

Referenzspektren

Anhand von Referenzspektren lassen sich gut substanzklassenspezifische Charakteristikaerkennen Deshalb kommt Spektrenbibliotheken eine groumlszligere Bedeutung als nur die direkteIdentifizierung einer unbekannten Verbindung zu

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NISTEPANIH Mass Spectral Data Base 1998

Tabellen charakteristischer Fragmentionen und MassendifferenzenZur Beachtung

Diese Tabellen sind mit Vorsicht zu genieszligen Es gibt sicher noch viele andere isobareFragmentionen und Massendifferenzen Auszligerdem laumlszligt man sich all zu leicht auf einenbestimmten Interpretationsansatz festlegen

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

30 Amine primaumlre Amine falls

intensiver als homologe

Iminium-Ionen

NH2+

30 Nitroverbindungen NO+

31 Alkohole Ether Acetale wenn intensivstes der

Oxonium-Ionen prim

Alkohol

OH+

32 Sauerstoff meist Untergrund [O2]+

32 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [S]+

33 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [HS]+

34 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [H2S]+

35 Chlorverbindungen plus Isotop 37Cl [Cl]+

36 Chlorverbindungen HCl plus Isotop 37Cl [HCl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 15: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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exakteIsotopenmasse

relativeHaumlufigkeit

Massen-uumlberschuszlig

relativeAtommasse

Isotop Nominal-masse

amu mmu amu

1H 1 1007825 99985 782 100792H 2 2014102 0015 141010B 10 10012938 199 1294 1081111B 11 11009305 801 93012C 12 12000000 9890 0 1201113C 13 13003355 110 33514N 14 14003074 99634 307 14006715N 15 15000109 0366 01116O 16 15994915 99762 -508 15999417O 16 16999131 0038 -08618O 18 17999159 0200 -08419F 19 18998403 1000 -159 189984

23Na 23 22989770 1000 -1023 22989828Si 28 27976928 9223 -2307 28085529Si 29 28976496 467 -235030Si 30 29973772 310 -262331P 31 30973763 1000 -2623 30973832S 32 31972072 9502 -2792 3206633S 33 32971459 075 -285434S 34 33967868 421 -3213

35Cl 35 34968853 7577 -3114 35452737Cl 37 36965903 2423 -341039K 39 38963708 932581 -3629 39098340K 40 39963999 00117 -360041K 41 40961825 67302 -381879Br 79 78918336 5069 -8165 7990481Br 81 80916290 4931 -8365127J 127 126904477 1000 -9564 1269044

Tabelle 3 Isotopenhaumlufigkeit exakte Isotopenmassen und relative chemische Atommassen einiger Elemente

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Hochaufloumlsende Massenspektrometrie und exakte Masse

Die relativen Atommassen sind nach IUPAC auf Kohlenstoff bezogen Genauer eineatomare Masseneinheit equiv 1 u equiv 112 der Masse des Kohlenstoffisotops 12C Neben u sind auchdie Bezeichnungen amu (atomic mass unit) und Da (Dalton) in Gebrauch(Die Definition vor 1961 war 1 Masseneinheit ME equiv 116 der Masse Sauerstoffisotops 16ODamit ergeben sich geringfuumlgig andere Atommassen Man muszlig deshalb auf das Erscheinungs-jahr von Massentabellen achten)

MassendefektDie Differenz von exakter Masse zu Nominalmasse wird als Massendefekt (mass deficiency)bzw Massenuumlberschuszlig bezeichnet Alkane und Alkylionen besitzen wegen ihres hohen 1H-Gehalts den groumlszligten Massenuumlberschuszlig dann folgen Amide und Peptide Polyether undPolyalkohole wie Oligosaccharide Kohlenstoff als 12C hat definitionsgemaumlszlig keinenMassendefekt Massendefekte werden oft in halogenierten Verbindungen und generell beimVorliegen von Schweratomen beobachtet Bereits ab mz 500 kann man mit Nominalmassen(H 1 u C 12 u O 16 u ) schon deutlich falsch liegen Das Molkuumllion von C36H74 mz5065790 ist nominal noch mz 506 wuumlrde aber von einem Datensystem ggf zu mz 507aufgerundet Deshalb ist auch bei Verwendung der Nominalmasse eine Dezimalstelleangebracht z B mz 5066

-04-02

002040608

112141618

222242628

3

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

nominale Molmasse (amu)

Mas

send

efek

t (am

u) KohlenstoffNylon-66PEGPTFEPVCPE

Abb 11 Zu bestimmten Gruppen von Summenformeln gehoumlren charakteristische MassendefekteIm Falle von elementarem Kohlenstoff zB bei Fullerenen ist der Wert immer 0 amu Typischeorganische Verbindungen dagegen zeigen Werte von 05-10 amu pro 1000 amu TretenUumlbergangsmetalle oder Halogene auf ist der Wert deutlich verringert und kann sogar unter dieNominalmasse fallen zB bei PFK

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Bestimmung der SummenformelMit doppelfokussierenden Magnetsektorfeldgeraumlten sind Massenaufloumlsungen uumlber 10000 zuerreichen (high resolution HR) So lassen sich Gemische isotopomerer Ionen gleicherNominalmasse wegen ihrer unterschiedlichen exakten Massen trennen und den isotopischenZusammensetzungen zuordnen vorausgesetzt es gelingt eine Zuordnung der Peaks zu einerexakten Masse Dazu verwendet man eine Kalibriersubstanz mit Signalen bekannter exakterMassen als interne Standardisierung der Massenskala Perfluorkerosin (PFK) und andereperfluorierte Verbindungen werden fuumlr die externe Kalibrierung und auch als internerMassenstandard in der EI-HR-MS eingesetzt da sie Ionen mit deutlichem Massendefektbilden die normalerweise leicht von den zu untersuchenden Ionen getrennt werden Ohneinternen Standard waumlre z B bei Auftreten von nur einem der beiden Signale nicht zwischen40Ar+ mz 399624 und C3H4+ mz 400313 zu unterscheiden Demnach werden durchHR-MS Ionenmassen abgesichert und auch zwischen nominal isobaren Eliminierungen z Bvon N2 CO undoder C2H4 kann man klar differenzieren

Mit zunehmender Molmasse kommen jedoch viele Summenformeln in einem experimentellenFehlerbereich von 2ndash5 mmu (milli u) in Frage Bei mz 500 entsprechen 5 mmu einer relativenAbweichung von 10 ppm bei mz 2000 aber nur noch 25 ppm Die Auswahl anSummenformeln im Fehlerintervall wird allerdings oft durch ergaumlnzende Informationeneingeengt Solche Limitierungen ergeben sich aus der Herkunft der Probe (z B nur C H13N und lt 4 O) oder aus dem Isotopenmuster des Molekuumllions (zB 1 Br kein S)

In der Massenspektrometrie kommt der Bestimmung der Summenformel einer unbekanntenSubstanz eine zentrale Bedeutung zu Zwar lassen sich oft schon weitgehende Ruumlckschluumlsseaus dem Isotopenmuster des Molekuumllions ziehen doch eine exakte Massenmessung stellt dieverlaumlszliglichere Information dar da ggf eine Uumlberlagerung des 13C Peaks mit einem [M+H]+

Peak unbekannter Intensitaumlt das Isotopenmuster verfaumllschen Auszligerdem haumlngt der 13C-Gehaltvon der Herkunft der Probe ab was die Bestimmung der Anzahl C-Atome aus dem M+1 Peaklimitiert

Herkunft des Kohlenstoffs 13C

atmosphaumlrisches CO2 1106C3-Pflanzen 1080C4-Pflanzen 1095fossile Stoffe 106-108

Tabelle 4 13C-Gehalt von Kohlenstoff in Abhaumlngigkeit von seiner Herkunft Generell ist der Gehalt derschwereren Isotope in aumlquatorialen Breiten houmlher als in polnahen Regionen

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Ringe plus Doppelbindungen

Wegen der jeweils eigenen Anzahl Valenzen der Elemente berechnet sich die Summe derRinge plus Doppelbindungen r + d (auch Doppelbindungsaumlquivalente DBAuml unsaturationUS) fuumlr ein Molekuumllion der Formel CcHhNnOo nach der Gleichung

r + d = c - 05 h + 05 n + 1Wendet man die Formel auf Pyridin C5H5N an so ergibt sich

r + d = 5 - 05bull5 + 05bull1 + 1 = 5 - 25 + 05 + 1 = 4

Bei Fragmentionen kann der berechnete Wert von r + d auch 05 15 betragen Um denkorrekten Wert zu erhalten rundet man auf die ganze Zahl ab Fuumlr das BenzoylkationC7H5O+ erhaumllt man

r + d = 7 - 05bull5 + 1 = 55

was als r + d = 5 zu interpretieren ist Die Aussage ist dann korrekt wenn man die Fragment-ionen als Carbeniumionen schreibt

O O+

+N N+ +

Treten andere Elemente auf so werden sie nach der Zahl ihrer Valenzen beruumlcksichtigt Sizaumlhlt zu C P zu N S zu O Hal zu H Wenn Elemente houmlhere Valenzen erreichen als in derFormel angenommen werden falsche Werte fuumlr r + d errechnet z B bei SulfoxidenSulfonen Phosphaten Fuumlr jeweils zwei Valenzen mehr als oben angenommen muumlszligte man dieFormel um +1 ergaumlnzen z B Phosphorsaumluretrimethylester C3H9O3P mit 5- statt 3-bindigemPhosphor

r + d = 3 - 45 + 05 + 2 = 1

Man erhaumllt durch diese Rechnung eine Limitierung der Anzahl Strukturvorschlaumlge zu einerSummenformel

Fragmentierungsreaktionen

Ein nicht unwesentlicher Teil der Interpretation von Massenspektren laumlszligt sich durchAnwendung von Zerfallsschemata erreichen Dazu muszlig man die wichtigsten Frag-mentierungsreaktionen verschiedener Ionenspezies kennen Nicht jeder Peak laumlszligt sich sovernuumlnftig erklaumlren Viele Reaktionen sind spezifisch fuumlr eine kleine Gruppe von Ionen ImZweifel ist die Fachliteratur zu Rate zu ziehen Fuumlr die im Kurs abgedeckten Substanzklassenist der Umfang nachfolgender Zusammenstellung ausreichend

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Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen

αααα-Spaltung aktivierter Bindungen

R

O+

α1

α2

RO+

+

O+

R +

α1

α2

Bildung der thermodynamischstabileren Produktpaarung ausIon und Radikal ist bevorzugt

Es wird eine zum Heteroatom α-staumlndigeBindung homolytischgespalten

O+

α

α O+

+ CH3 Das Heteroatom kann

exostaumlndig oder Teileiner Kette sein

O+

H

O+

H

O+

α 15-Hα

O+

+

In alicyclischen Systemen tritt doppelte α-Spaltung unter Umlagerung uumlber distonische Intermediate auf

Als Konkurrenzreaktionwird aber auch die andereProduktpaarung gebildet Deshalb findet man oft zurAbspaltung des Radikals nauch das korrespondierendeIon n+

+

+

R

O

OR

O+

α1

α2

R +

+

α1

α2

Allylspaltung

+

+

+

+

In Alkenen wird bevorzugt die allylische Bindung gespalten wobei das Allylkationgebildet wird

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Alkylspaltung und Olefinverlust aus Alkylkationen

+

+

C2H5

+

C3H7

+ +

- C2H4 28 u

Molekuumllionen mit Alkylketten spalten unselektiv entlang der Kette Alkylradikale abDie gebildeten Alkylkationen gehen Kettenverkuumlrzungen unter Alkenverlust einDaneben treten Isomerisierungen aller Ionenspezies auf

mz 43- CH3

--

Benzylspaltung

+

- C4H9 - C2H2 26 u

mz 77 mz 51

+ +

- C3H7

In Alkylaromaten wird bevorzugt die benzylische Bindung gespalten Es treten die typischen Ionen mz 91 77 65 51 39 oder deren Homologeauf Das Ausmaszlig der Isomerisierung ist verschieden Diese Serie kann aber auch aus nichtaromatischen Ionen gebildet werden wenn die Summenformel C7H7 zustande kommt

- C2H2 26 u

+

+ + +

mz 91 mz 65

- C2H2 26 u

C3H3+

mz 39

+

Die Spaltung der phenylischen Bindung fuumlhrt zu den Ionen bei mz 77 51 Sie ist beiAlkylaromaten weniger bevorzugt

Benzoylverbindungen dagegen bilden durch αminusSpaltung zunaumlchstdas Benzoylkation das unter CO-Verlust zu mz 77 51 weiterfragmentiert

O

R ++

mz 51mz 77

- C2H2 26 u

+

- R

α

+O

- CO 28 u

mz 105

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McLafferty-Umlagerung (ββββ-Spaltung mit γγγγ-H-Transfer)

OH R+

ORH+

15-H OH R+

+

In Molekuumllionen mit C=X-Doppelbindung tritt McLafferty-Umlagerung auf wenn ein γ-H-Atomuumlber die Sechsringkonformation auf X uumlbertragen werden kann Es tritt Alkenverlust aufMan kann die Umlagerung auch konzertiert formulieren

a)

b)

N

H R

+15-H-

N

R+

NR

++

In closed-shell Ionen wird ein analoger Prozeszlig beobachtet Onium-Ionen eliminieren einAlken-Molekuumll unter Bildung eines neuen Onium-Ions

c)

H

R + R

HH

+ HH

+

mz 92

+

R

Alkylaromaten bilden neben der Benzylspaltung mz 92oder Homologe durch McLafferty-Umlagerung DasIon mz 92 ist ein Isomer des Toluol-Molekuumllions

15-H

Eine andere Moumlglichkeit ein Alken aus dem Molekuumllion zu eliminieren ist die

AB

+

A B++

+BAA

B

+

+

Molekuumllionen und closed-shellIonen mit einem Sechsringsystemdas eine Doppelbindung enthaumlltgehen RDA ein Die Dien-Komponentetraumlgt bevorzugt die LadungEs koumlnnen Heteroatome enthalten sein

Retro-Diels-Alder-Reaktion RDA

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R

++N

R

H

Onium-Reaktion

+ HN

Onium-Ionen zeigen Alkenverluste unter Abspaltung des gesamten AlkylrestesDas uumlbertragene H kann aus der ganzen Kette stammen Der Mechanismus isteigentlich komplizierter es treten intermediaumlr Ion-Molekuumll-Komplexe aufWegen der Delokalisierung der Ladung sind sowohl die C=X+-R als auch die R-C+-X-Bindung moumlgliche Positionen fuumlr die Onium-Rkt

a)

c)

OR

+OH+

+R

OR+

+

Vor allem Oxonium-Ionen zeigen neben Alkenverlust auch Aldehydverlust da die Differenz der Protonenaffinitaumlten von Aldehyd und Carbenium-Ion relativ gering istBei genuumlgender innerer Energie gehen alle Onium-Ionen beide Reaktionen ein

b)

NH2R+

+NH2R

R NH2++

OH +O

H

H

+

CO-Verlust aus Phenolen

- CO

mz 9428 u

mz 66

+

+

mz 65

- H

CO-Verlust tritt auszligerdem bei anderen ungesaumlttigten cyclischen Ketonen und beiAcylium-Ionen auf CO-Verlust kann eine thermische Rkt vor der Ionisation sein

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ortho-Effekt oder Retro-14-Addition

OMe

H

O

4

1

+ O+

- MeOH

Bei ortho-substituierten Benzol- und bei 18-substituierten Naphthalinderivatenkoumlnnen Fragmentierungen auftreten die nur durch Wechselwirkung beider Sub-stituenten moumlglich werden Dazu gehoumlren auch OH-Verluste aus Nitroaromaten

Referenzspektren

Anhand von Referenzspektren lassen sich gut substanzklassenspezifische Charakteristikaerkennen Deshalb kommt Spektrenbibliotheken eine groumlszligere Bedeutung als nur die direkteIdentifizierung einer unbekannten Verbindung zu

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NISTEPANIH Mass Spectral Data Base 1998

Tabellen charakteristischer Fragmentionen und MassendifferenzenZur Beachtung

Diese Tabellen sind mit Vorsicht zu genieszligen Es gibt sicher noch viele andere isobareFragmentionen und Massendifferenzen Auszligerdem laumlszligt man sich all zu leicht auf einenbestimmten Interpretationsansatz festlegen

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

30 Amine primaumlre Amine falls

intensiver als homologe

Iminium-Ionen

NH2+

30 Nitroverbindungen NO+

31 Alkohole Ether Acetale wenn intensivstes der

Oxonium-Ionen prim

Alkohol

OH+

32 Sauerstoff meist Untergrund [O2]+

32 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [S]+

33 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [HS]+

34 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [H2S]+

35 Chlorverbindungen plus Isotop 37Cl [Cl]+

36 Chlorverbindungen HCl plus Isotop 37Cl [HCl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 16: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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Hochaufloumlsende Massenspektrometrie und exakte Masse

Die relativen Atommassen sind nach IUPAC auf Kohlenstoff bezogen Genauer eineatomare Masseneinheit equiv 1 u equiv 112 der Masse des Kohlenstoffisotops 12C Neben u sind auchdie Bezeichnungen amu (atomic mass unit) und Da (Dalton) in Gebrauch(Die Definition vor 1961 war 1 Masseneinheit ME equiv 116 der Masse Sauerstoffisotops 16ODamit ergeben sich geringfuumlgig andere Atommassen Man muszlig deshalb auf das Erscheinungs-jahr von Massentabellen achten)

MassendefektDie Differenz von exakter Masse zu Nominalmasse wird als Massendefekt (mass deficiency)bzw Massenuumlberschuszlig bezeichnet Alkane und Alkylionen besitzen wegen ihres hohen 1H-Gehalts den groumlszligten Massenuumlberschuszlig dann folgen Amide und Peptide Polyether undPolyalkohole wie Oligosaccharide Kohlenstoff als 12C hat definitionsgemaumlszlig keinenMassendefekt Massendefekte werden oft in halogenierten Verbindungen und generell beimVorliegen von Schweratomen beobachtet Bereits ab mz 500 kann man mit Nominalmassen(H 1 u C 12 u O 16 u ) schon deutlich falsch liegen Das Molkuumllion von C36H74 mz5065790 ist nominal noch mz 506 wuumlrde aber von einem Datensystem ggf zu mz 507aufgerundet Deshalb ist auch bei Verwendung der Nominalmasse eine Dezimalstelleangebracht z B mz 5066

-04-02

002040608

112141618

222242628

3

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

nominale Molmasse (amu)

Mas

send

efek

t (am

u) KohlenstoffNylon-66PEGPTFEPVCPE

Abb 11 Zu bestimmten Gruppen von Summenformeln gehoumlren charakteristische MassendefekteIm Falle von elementarem Kohlenstoff zB bei Fullerenen ist der Wert immer 0 amu Typischeorganische Verbindungen dagegen zeigen Werte von 05-10 amu pro 1000 amu TretenUumlbergangsmetalle oder Halogene auf ist der Wert deutlich verringert und kann sogar unter dieNominalmasse fallen zB bei PFK

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Bestimmung der SummenformelMit doppelfokussierenden Magnetsektorfeldgeraumlten sind Massenaufloumlsungen uumlber 10000 zuerreichen (high resolution HR) So lassen sich Gemische isotopomerer Ionen gleicherNominalmasse wegen ihrer unterschiedlichen exakten Massen trennen und den isotopischenZusammensetzungen zuordnen vorausgesetzt es gelingt eine Zuordnung der Peaks zu einerexakten Masse Dazu verwendet man eine Kalibriersubstanz mit Signalen bekannter exakterMassen als interne Standardisierung der Massenskala Perfluorkerosin (PFK) und andereperfluorierte Verbindungen werden fuumlr die externe Kalibrierung und auch als internerMassenstandard in der EI-HR-MS eingesetzt da sie Ionen mit deutlichem Massendefektbilden die normalerweise leicht von den zu untersuchenden Ionen getrennt werden Ohneinternen Standard waumlre z B bei Auftreten von nur einem der beiden Signale nicht zwischen40Ar+ mz 399624 und C3H4+ mz 400313 zu unterscheiden Demnach werden durchHR-MS Ionenmassen abgesichert und auch zwischen nominal isobaren Eliminierungen z Bvon N2 CO undoder C2H4 kann man klar differenzieren

Mit zunehmender Molmasse kommen jedoch viele Summenformeln in einem experimentellenFehlerbereich von 2ndash5 mmu (milli u) in Frage Bei mz 500 entsprechen 5 mmu einer relativenAbweichung von 10 ppm bei mz 2000 aber nur noch 25 ppm Die Auswahl anSummenformeln im Fehlerintervall wird allerdings oft durch ergaumlnzende Informationeneingeengt Solche Limitierungen ergeben sich aus der Herkunft der Probe (z B nur C H13N und lt 4 O) oder aus dem Isotopenmuster des Molekuumllions (zB 1 Br kein S)

In der Massenspektrometrie kommt der Bestimmung der Summenformel einer unbekanntenSubstanz eine zentrale Bedeutung zu Zwar lassen sich oft schon weitgehende Ruumlckschluumlsseaus dem Isotopenmuster des Molekuumllions ziehen doch eine exakte Massenmessung stellt dieverlaumlszliglichere Information dar da ggf eine Uumlberlagerung des 13C Peaks mit einem [M+H]+

Peak unbekannter Intensitaumlt das Isotopenmuster verfaumllschen Auszligerdem haumlngt der 13C-Gehaltvon der Herkunft der Probe ab was die Bestimmung der Anzahl C-Atome aus dem M+1 Peaklimitiert

Herkunft des Kohlenstoffs 13C

atmosphaumlrisches CO2 1106C3-Pflanzen 1080C4-Pflanzen 1095fossile Stoffe 106-108

Tabelle 4 13C-Gehalt von Kohlenstoff in Abhaumlngigkeit von seiner Herkunft Generell ist der Gehalt derschwereren Isotope in aumlquatorialen Breiten houmlher als in polnahen Regionen

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Ringe plus Doppelbindungen

Wegen der jeweils eigenen Anzahl Valenzen der Elemente berechnet sich die Summe derRinge plus Doppelbindungen r + d (auch Doppelbindungsaumlquivalente DBAuml unsaturationUS) fuumlr ein Molekuumllion der Formel CcHhNnOo nach der Gleichung

r + d = c - 05 h + 05 n + 1Wendet man die Formel auf Pyridin C5H5N an so ergibt sich

r + d = 5 - 05bull5 + 05bull1 + 1 = 5 - 25 + 05 + 1 = 4

Bei Fragmentionen kann der berechnete Wert von r + d auch 05 15 betragen Um denkorrekten Wert zu erhalten rundet man auf die ganze Zahl ab Fuumlr das BenzoylkationC7H5O+ erhaumllt man

r + d = 7 - 05bull5 + 1 = 55

was als r + d = 5 zu interpretieren ist Die Aussage ist dann korrekt wenn man die Fragment-ionen als Carbeniumionen schreibt

O O+

+N N+ +

Treten andere Elemente auf so werden sie nach der Zahl ihrer Valenzen beruumlcksichtigt Sizaumlhlt zu C P zu N S zu O Hal zu H Wenn Elemente houmlhere Valenzen erreichen als in derFormel angenommen werden falsche Werte fuumlr r + d errechnet z B bei SulfoxidenSulfonen Phosphaten Fuumlr jeweils zwei Valenzen mehr als oben angenommen muumlszligte man dieFormel um +1 ergaumlnzen z B Phosphorsaumluretrimethylester C3H9O3P mit 5- statt 3-bindigemPhosphor

r + d = 3 - 45 + 05 + 2 = 1

Man erhaumllt durch diese Rechnung eine Limitierung der Anzahl Strukturvorschlaumlge zu einerSummenformel

Fragmentierungsreaktionen

Ein nicht unwesentlicher Teil der Interpretation von Massenspektren laumlszligt sich durchAnwendung von Zerfallsschemata erreichen Dazu muszlig man die wichtigsten Frag-mentierungsreaktionen verschiedener Ionenspezies kennen Nicht jeder Peak laumlszligt sich sovernuumlnftig erklaumlren Viele Reaktionen sind spezifisch fuumlr eine kleine Gruppe von Ionen ImZweifel ist die Fachliteratur zu Rate zu ziehen Fuumlr die im Kurs abgedeckten Substanzklassenist der Umfang nachfolgender Zusammenstellung ausreichend

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Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen

αααα-Spaltung aktivierter Bindungen

R

O+

α1

α2

RO+

+

O+

R +

α1

α2

Bildung der thermodynamischstabileren Produktpaarung ausIon und Radikal ist bevorzugt

Es wird eine zum Heteroatom α-staumlndigeBindung homolytischgespalten

O+

α

α O+

+ CH3 Das Heteroatom kann

exostaumlndig oder Teileiner Kette sein

O+

H

O+

H

O+

α 15-Hα

O+

+

In alicyclischen Systemen tritt doppelte α-Spaltung unter Umlagerung uumlber distonische Intermediate auf

Als Konkurrenzreaktionwird aber auch die andereProduktpaarung gebildet Deshalb findet man oft zurAbspaltung des Radikals nauch das korrespondierendeIon n+

+

+

R

O

OR

O+

α1

α2

R +

+

α1

α2

Allylspaltung

+

+

+

+

In Alkenen wird bevorzugt die allylische Bindung gespalten wobei das Allylkationgebildet wird

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Alkylspaltung und Olefinverlust aus Alkylkationen

+

+

C2H5

+

C3H7

+ +

- C2H4 28 u

Molekuumllionen mit Alkylketten spalten unselektiv entlang der Kette Alkylradikale abDie gebildeten Alkylkationen gehen Kettenverkuumlrzungen unter Alkenverlust einDaneben treten Isomerisierungen aller Ionenspezies auf

mz 43- CH3

--

Benzylspaltung

+

- C4H9 - C2H2 26 u

mz 77 mz 51

+ +

- C3H7

In Alkylaromaten wird bevorzugt die benzylische Bindung gespalten Es treten die typischen Ionen mz 91 77 65 51 39 oder deren Homologeauf Das Ausmaszlig der Isomerisierung ist verschieden Diese Serie kann aber auch aus nichtaromatischen Ionen gebildet werden wenn die Summenformel C7H7 zustande kommt

- C2H2 26 u

+

+ + +

mz 91 mz 65

- C2H2 26 u

C3H3+

mz 39

+

Die Spaltung der phenylischen Bindung fuumlhrt zu den Ionen bei mz 77 51 Sie ist beiAlkylaromaten weniger bevorzugt

Benzoylverbindungen dagegen bilden durch αminusSpaltung zunaumlchstdas Benzoylkation das unter CO-Verlust zu mz 77 51 weiterfragmentiert

O

R ++

mz 51mz 77

- C2H2 26 u

+

- R

α

+O

- CO 28 u

mz 105

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McLafferty-Umlagerung (ββββ-Spaltung mit γγγγ-H-Transfer)

OH R+

ORH+

15-H OH R+

+

In Molekuumllionen mit C=X-Doppelbindung tritt McLafferty-Umlagerung auf wenn ein γ-H-Atomuumlber die Sechsringkonformation auf X uumlbertragen werden kann Es tritt Alkenverlust aufMan kann die Umlagerung auch konzertiert formulieren

a)

b)

N

H R

+15-H-

N

R+

NR

++

In closed-shell Ionen wird ein analoger Prozeszlig beobachtet Onium-Ionen eliminieren einAlken-Molekuumll unter Bildung eines neuen Onium-Ions

c)

H

R + R

HH

+ HH

+

mz 92

+

R

Alkylaromaten bilden neben der Benzylspaltung mz 92oder Homologe durch McLafferty-Umlagerung DasIon mz 92 ist ein Isomer des Toluol-Molekuumllions

15-H

Eine andere Moumlglichkeit ein Alken aus dem Molekuumllion zu eliminieren ist die

AB

+

A B++

+BAA

B

+

+

Molekuumllionen und closed-shellIonen mit einem Sechsringsystemdas eine Doppelbindung enthaumlltgehen RDA ein Die Dien-Komponentetraumlgt bevorzugt die LadungEs koumlnnen Heteroatome enthalten sein

Retro-Diels-Alder-Reaktion RDA

- 22 -

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R

++N

R

H

Onium-Reaktion

+ HN

Onium-Ionen zeigen Alkenverluste unter Abspaltung des gesamten AlkylrestesDas uumlbertragene H kann aus der ganzen Kette stammen Der Mechanismus isteigentlich komplizierter es treten intermediaumlr Ion-Molekuumll-Komplexe aufWegen der Delokalisierung der Ladung sind sowohl die C=X+-R als auch die R-C+-X-Bindung moumlgliche Positionen fuumlr die Onium-Rkt

a)

c)

OR

+OH+

+R

OR+

+

Vor allem Oxonium-Ionen zeigen neben Alkenverlust auch Aldehydverlust da die Differenz der Protonenaffinitaumlten von Aldehyd und Carbenium-Ion relativ gering istBei genuumlgender innerer Energie gehen alle Onium-Ionen beide Reaktionen ein

b)

NH2R+

+NH2R

R NH2++

OH +O

H

H

+

CO-Verlust aus Phenolen

- CO

mz 9428 u

mz 66

+

+

mz 65

- H

CO-Verlust tritt auszligerdem bei anderen ungesaumlttigten cyclischen Ketonen und beiAcylium-Ionen auf CO-Verlust kann eine thermische Rkt vor der Ionisation sein

- 23 -

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ortho-Effekt oder Retro-14-Addition

OMe

H

O

4

1

+ O+

- MeOH

Bei ortho-substituierten Benzol- und bei 18-substituierten Naphthalinderivatenkoumlnnen Fragmentierungen auftreten die nur durch Wechselwirkung beider Sub-stituenten moumlglich werden Dazu gehoumlren auch OH-Verluste aus Nitroaromaten

Referenzspektren

Anhand von Referenzspektren lassen sich gut substanzklassenspezifische Charakteristikaerkennen Deshalb kommt Spektrenbibliotheken eine groumlszligere Bedeutung als nur die direkteIdentifizierung einer unbekannten Verbindung zu

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- 25 -

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NISTEPANIH Mass Spectral Data Base 1998

Tabellen charakteristischer Fragmentionen und MassendifferenzenZur Beachtung

Diese Tabellen sind mit Vorsicht zu genieszligen Es gibt sicher noch viele andere isobareFragmentionen und Massendifferenzen Auszligerdem laumlszligt man sich all zu leicht auf einenbestimmten Interpretationsansatz festlegen

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

30 Amine primaumlre Amine falls

intensiver als homologe

Iminium-Ionen

NH2+

30 Nitroverbindungen NO+

31 Alkohole Ether Acetale wenn intensivstes der

Oxonium-Ionen prim

Alkohol

OH+

32 Sauerstoff meist Untergrund [O2]+

32 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [S]+

33 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [HS]+

34 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [H2S]+

35 Chlorverbindungen plus Isotop 37Cl [Cl]+

36 Chlorverbindungen HCl plus Isotop 37Cl [HCl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

- 27 -

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

- 28 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 17: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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Bestimmung der SummenformelMit doppelfokussierenden Magnetsektorfeldgeraumlten sind Massenaufloumlsungen uumlber 10000 zuerreichen (high resolution HR) So lassen sich Gemische isotopomerer Ionen gleicherNominalmasse wegen ihrer unterschiedlichen exakten Massen trennen und den isotopischenZusammensetzungen zuordnen vorausgesetzt es gelingt eine Zuordnung der Peaks zu einerexakten Masse Dazu verwendet man eine Kalibriersubstanz mit Signalen bekannter exakterMassen als interne Standardisierung der Massenskala Perfluorkerosin (PFK) und andereperfluorierte Verbindungen werden fuumlr die externe Kalibrierung und auch als internerMassenstandard in der EI-HR-MS eingesetzt da sie Ionen mit deutlichem Massendefektbilden die normalerweise leicht von den zu untersuchenden Ionen getrennt werden Ohneinternen Standard waumlre z B bei Auftreten von nur einem der beiden Signale nicht zwischen40Ar+ mz 399624 und C3H4+ mz 400313 zu unterscheiden Demnach werden durchHR-MS Ionenmassen abgesichert und auch zwischen nominal isobaren Eliminierungen z Bvon N2 CO undoder C2H4 kann man klar differenzieren

Mit zunehmender Molmasse kommen jedoch viele Summenformeln in einem experimentellenFehlerbereich von 2ndash5 mmu (milli u) in Frage Bei mz 500 entsprechen 5 mmu einer relativenAbweichung von 10 ppm bei mz 2000 aber nur noch 25 ppm Die Auswahl anSummenformeln im Fehlerintervall wird allerdings oft durch ergaumlnzende Informationeneingeengt Solche Limitierungen ergeben sich aus der Herkunft der Probe (z B nur C H13N und lt 4 O) oder aus dem Isotopenmuster des Molekuumllions (zB 1 Br kein S)

In der Massenspektrometrie kommt der Bestimmung der Summenformel einer unbekanntenSubstanz eine zentrale Bedeutung zu Zwar lassen sich oft schon weitgehende Ruumlckschluumlsseaus dem Isotopenmuster des Molekuumllions ziehen doch eine exakte Massenmessung stellt dieverlaumlszliglichere Information dar da ggf eine Uumlberlagerung des 13C Peaks mit einem [M+H]+

Peak unbekannter Intensitaumlt das Isotopenmuster verfaumllschen Auszligerdem haumlngt der 13C-Gehaltvon der Herkunft der Probe ab was die Bestimmung der Anzahl C-Atome aus dem M+1 Peaklimitiert

Herkunft des Kohlenstoffs 13C

atmosphaumlrisches CO2 1106C3-Pflanzen 1080C4-Pflanzen 1095fossile Stoffe 106-108

Tabelle 4 13C-Gehalt von Kohlenstoff in Abhaumlngigkeit von seiner Herkunft Generell ist der Gehalt derschwereren Isotope in aumlquatorialen Breiten houmlher als in polnahen Regionen

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Ringe plus Doppelbindungen

Wegen der jeweils eigenen Anzahl Valenzen der Elemente berechnet sich die Summe derRinge plus Doppelbindungen r + d (auch Doppelbindungsaumlquivalente DBAuml unsaturationUS) fuumlr ein Molekuumllion der Formel CcHhNnOo nach der Gleichung

r + d = c - 05 h + 05 n + 1Wendet man die Formel auf Pyridin C5H5N an so ergibt sich

r + d = 5 - 05bull5 + 05bull1 + 1 = 5 - 25 + 05 + 1 = 4

Bei Fragmentionen kann der berechnete Wert von r + d auch 05 15 betragen Um denkorrekten Wert zu erhalten rundet man auf die ganze Zahl ab Fuumlr das BenzoylkationC7H5O+ erhaumllt man

r + d = 7 - 05bull5 + 1 = 55

was als r + d = 5 zu interpretieren ist Die Aussage ist dann korrekt wenn man die Fragment-ionen als Carbeniumionen schreibt

O O+

+N N+ +

Treten andere Elemente auf so werden sie nach der Zahl ihrer Valenzen beruumlcksichtigt Sizaumlhlt zu C P zu N S zu O Hal zu H Wenn Elemente houmlhere Valenzen erreichen als in derFormel angenommen werden falsche Werte fuumlr r + d errechnet z B bei SulfoxidenSulfonen Phosphaten Fuumlr jeweils zwei Valenzen mehr als oben angenommen muumlszligte man dieFormel um +1 ergaumlnzen z B Phosphorsaumluretrimethylester C3H9O3P mit 5- statt 3-bindigemPhosphor

r + d = 3 - 45 + 05 + 2 = 1

Man erhaumllt durch diese Rechnung eine Limitierung der Anzahl Strukturvorschlaumlge zu einerSummenformel

Fragmentierungsreaktionen

Ein nicht unwesentlicher Teil der Interpretation von Massenspektren laumlszligt sich durchAnwendung von Zerfallsschemata erreichen Dazu muszlig man die wichtigsten Frag-mentierungsreaktionen verschiedener Ionenspezies kennen Nicht jeder Peak laumlszligt sich sovernuumlnftig erklaumlren Viele Reaktionen sind spezifisch fuumlr eine kleine Gruppe von Ionen ImZweifel ist die Fachliteratur zu Rate zu ziehen Fuumlr die im Kurs abgedeckten Substanzklassenist der Umfang nachfolgender Zusammenstellung ausreichend

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Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen

αααα-Spaltung aktivierter Bindungen

R

O+

α1

α2

RO+

+

O+

R +

α1

α2

Bildung der thermodynamischstabileren Produktpaarung ausIon und Radikal ist bevorzugt

Es wird eine zum Heteroatom α-staumlndigeBindung homolytischgespalten

O+

α

α O+

+ CH3 Das Heteroatom kann

exostaumlndig oder Teileiner Kette sein

O+

H

O+

H

O+

α 15-Hα

O+

+

In alicyclischen Systemen tritt doppelte α-Spaltung unter Umlagerung uumlber distonische Intermediate auf

Als Konkurrenzreaktionwird aber auch die andereProduktpaarung gebildet Deshalb findet man oft zurAbspaltung des Radikals nauch das korrespondierendeIon n+

+

+

R

O

OR

O+

α1

α2

R +

+

α1

α2

Allylspaltung

+

+

+

+

In Alkenen wird bevorzugt die allylische Bindung gespalten wobei das Allylkationgebildet wird

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Alkylspaltung und Olefinverlust aus Alkylkationen

+

+

C2H5

+

C3H7

+ +

- C2H4 28 u

Molekuumllionen mit Alkylketten spalten unselektiv entlang der Kette Alkylradikale abDie gebildeten Alkylkationen gehen Kettenverkuumlrzungen unter Alkenverlust einDaneben treten Isomerisierungen aller Ionenspezies auf

mz 43- CH3

--

Benzylspaltung

+

- C4H9 - C2H2 26 u

mz 77 mz 51

+ +

- C3H7

In Alkylaromaten wird bevorzugt die benzylische Bindung gespalten Es treten die typischen Ionen mz 91 77 65 51 39 oder deren Homologeauf Das Ausmaszlig der Isomerisierung ist verschieden Diese Serie kann aber auch aus nichtaromatischen Ionen gebildet werden wenn die Summenformel C7H7 zustande kommt

- C2H2 26 u

+

+ + +

mz 91 mz 65

- C2H2 26 u

C3H3+

mz 39

+

Die Spaltung der phenylischen Bindung fuumlhrt zu den Ionen bei mz 77 51 Sie ist beiAlkylaromaten weniger bevorzugt

Benzoylverbindungen dagegen bilden durch αminusSpaltung zunaumlchstdas Benzoylkation das unter CO-Verlust zu mz 77 51 weiterfragmentiert

O

R ++

mz 51mz 77

- C2H2 26 u

+

- R

α

+O

- CO 28 u

mz 105

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McLafferty-Umlagerung (ββββ-Spaltung mit γγγγ-H-Transfer)

OH R+

ORH+

15-H OH R+

+

In Molekuumllionen mit C=X-Doppelbindung tritt McLafferty-Umlagerung auf wenn ein γ-H-Atomuumlber die Sechsringkonformation auf X uumlbertragen werden kann Es tritt Alkenverlust aufMan kann die Umlagerung auch konzertiert formulieren

a)

b)

N

H R

+15-H-

N

R+

NR

++

In closed-shell Ionen wird ein analoger Prozeszlig beobachtet Onium-Ionen eliminieren einAlken-Molekuumll unter Bildung eines neuen Onium-Ions

c)

H

R + R

HH

+ HH

+

mz 92

+

R

Alkylaromaten bilden neben der Benzylspaltung mz 92oder Homologe durch McLafferty-Umlagerung DasIon mz 92 ist ein Isomer des Toluol-Molekuumllions

15-H

Eine andere Moumlglichkeit ein Alken aus dem Molekuumllion zu eliminieren ist die

AB

+

A B++

+BAA

B

+

+

Molekuumllionen und closed-shellIonen mit einem Sechsringsystemdas eine Doppelbindung enthaumlltgehen RDA ein Die Dien-Komponentetraumlgt bevorzugt die LadungEs koumlnnen Heteroatome enthalten sein

Retro-Diels-Alder-Reaktion RDA

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R

++N

R

H

Onium-Reaktion

+ HN

Onium-Ionen zeigen Alkenverluste unter Abspaltung des gesamten AlkylrestesDas uumlbertragene H kann aus der ganzen Kette stammen Der Mechanismus isteigentlich komplizierter es treten intermediaumlr Ion-Molekuumll-Komplexe aufWegen der Delokalisierung der Ladung sind sowohl die C=X+-R als auch die R-C+-X-Bindung moumlgliche Positionen fuumlr die Onium-Rkt

a)

c)

OR

+OH+

+R

OR+

+

Vor allem Oxonium-Ionen zeigen neben Alkenverlust auch Aldehydverlust da die Differenz der Protonenaffinitaumlten von Aldehyd und Carbenium-Ion relativ gering istBei genuumlgender innerer Energie gehen alle Onium-Ionen beide Reaktionen ein

b)

NH2R+

+NH2R

R NH2++

OH +O

H

H

+

CO-Verlust aus Phenolen

- CO

mz 9428 u

mz 66

+

+

mz 65

- H

CO-Verlust tritt auszligerdem bei anderen ungesaumlttigten cyclischen Ketonen und beiAcylium-Ionen auf CO-Verlust kann eine thermische Rkt vor der Ionisation sein

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ortho-Effekt oder Retro-14-Addition

OMe

H

O

4

1

+ O+

- MeOH

Bei ortho-substituierten Benzol- und bei 18-substituierten Naphthalinderivatenkoumlnnen Fragmentierungen auftreten die nur durch Wechselwirkung beider Sub-stituenten moumlglich werden Dazu gehoumlren auch OH-Verluste aus Nitroaromaten

Referenzspektren

Anhand von Referenzspektren lassen sich gut substanzklassenspezifische Charakteristikaerkennen Deshalb kommt Spektrenbibliotheken eine groumlszligere Bedeutung als nur die direkteIdentifizierung einer unbekannten Verbindung zu

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NISTEPANIH Mass Spectral Data Base 1998

Tabellen charakteristischer Fragmentionen und MassendifferenzenZur Beachtung

Diese Tabellen sind mit Vorsicht zu genieszligen Es gibt sicher noch viele andere isobareFragmentionen und Massendifferenzen Auszligerdem laumlszligt man sich all zu leicht auf einenbestimmten Interpretationsansatz festlegen

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

30 Amine primaumlre Amine falls

intensiver als homologe

Iminium-Ionen

NH2+

30 Nitroverbindungen NO+

31 Alkohole Ether Acetale wenn intensivstes der

Oxonium-Ionen prim

Alkohol

OH+

32 Sauerstoff meist Untergrund [O2]+

32 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [S]+

33 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [HS]+

34 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [H2S]+

35 Chlorverbindungen plus Isotop 37Cl [Cl]+

36 Chlorverbindungen HCl plus Isotop 37Cl [HCl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 18: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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Ringe plus Doppelbindungen

Wegen der jeweils eigenen Anzahl Valenzen der Elemente berechnet sich die Summe derRinge plus Doppelbindungen r + d (auch Doppelbindungsaumlquivalente DBAuml unsaturationUS) fuumlr ein Molekuumllion der Formel CcHhNnOo nach der Gleichung

r + d = c - 05 h + 05 n + 1Wendet man die Formel auf Pyridin C5H5N an so ergibt sich

r + d = 5 - 05bull5 + 05bull1 + 1 = 5 - 25 + 05 + 1 = 4

Bei Fragmentionen kann der berechnete Wert von r + d auch 05 15 betragen Um denkorrekten Wert zu erhalten rundet man auf die ganze Zahl ab Fuumlr das BenzoylkationC7H5O+ erhaumllt man

r + d = 7 - 05bull5 + 1 = 55

was als r + d = 5 zu interpretieren ist Die Aussage ist dann korrekt wenn man die Fragment-ionen als Carbeniumionen schreibt

O O+

+N N+ +

Treten andere Elemente auf so werden sie nach der Zahl ihrer Valenzen beruumlcksichtigt Sizaumlhlt zu C P zu N S zu O Hal zu H Wenn Elemente houmlhere Valenzen erreichen als in derFormel angenommen werden falsche Werte fuumlr r + d errechnet z B bei SulfoxidenSulfonen Phosphaten Fuumlr jeweils zwei Valenzen mehr als oben angenommen muumlszligte man dieFormel um +1 ergaumlnzen z B Phosphorsaumluretrimethylester C3H9O3P mit 5- statt 3-bindigemPhosphor

r + d = 3 - 45 + 05 + 2 = 1

Man erhaumllt durch diese Rechnung eine Limitierung der Anzahl Strukturvorschlaumlge zu einerSummenformel

Fragmentierungsreaktionen

Ein nicht unwesentlicher Teil der Interpretation von Massenspektren laumlszligt sich durchAnwendung von Zerfallsschemata erreichen Dazu muszlig man die wichtigsten Frag-mentierungsreaktionen verschiedener Ionenspezies kennen Nicht jeder Peak laumlszligt sich sovernuumlnftig erklaumlren Viele Reaktionen sind spezifisch fuumlr eine kleine Gruppe von Ionen ImZweifel ist die Fachliteratur zu Rate zu ziehen Fuumlr die im Kurs abgedeckten Substanzklassenist der Umfang nachfolgender Zusammenstellung ausreichend

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Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen

αααα-Spaltung aktivierter Bindungen

R

O+

α1

α2

RO+

+

O+

R +

α1

α2

Bildung der thermodynamischstabileren Produktpaarung ausIon und Radikal ist bevorzugt

Es wird eine zum Heteroatom α-staumlndigeBindung homolytischgespalten

O+

α

α O+

+ CH3 Das Heteroatom kann

exostaumlndig oder Teileiner Kette sein

O+

H

O+

H

O+

α 15-Hα

O+

+

In alicyclischen Systemen tritt doppelte α-Spaltung unter Umlagerung uumlber distonische Intermediate auf

Als Konkurrenzreaktionwird aber auch die andereProduktpaarung gebildet Deshalb findet man oft zurAbspaltung des Radikals nauch das korrespondierendeIon n+

+

+

R

O

OR

O+

α1

α2

R +

+

α1

α2

Allylspaltung

+

+

+

+

In Alkenen wird bevorzugt die allylische Bindung gespalten wobei das Allylkationgebildet wird

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Alkylspaltung und Olefinverlust aus Alkylkationen

+

+

C2H5

+

C3H7

+ +

- C2H4 28 u

Molekuumllionen mit Alkylketten spalten unselektiv entlang der Kette Alkylradikale abDie gebildeten Alkylkationen gehen Kettenverkuumlrzungen unter Alkenverlust einDaneben treten Isomerisierungen aller Ionenspezies auf

mz 43- CH3

--

Benzylspaltung

+

- C4H9 - C2H2 26 u

mz 77 mz 51

+ +

- C3H7

In Alkylaromaten wird bevorzugt die benzylische Bindung gespalten Es treten die typischen Ionen mz 91 77 65 51 39 oder deren Homologeauf Das Ausmaszlig der Isomerisierung ist verschieden Diese Serie kann aber auch aus nichtaromatischen Ionen gebildet werden wenn die Summenformel C7H7 zustande kommt

- C2H2 26 u

+

+ + +

mz 91 mz 65

- C2H2 26 u

C3H3+

mz 39

+

Die Spaltung der phenylischen Bindung fuumlhrt zu den Ionen bei mz 77 51 Sie ist beiAlkylaromaten weniger bevorzugt

Benzoylverbindungen dagegen bilden durch αminusSpaltung zunaumlchstdas Benzoylkation das unter CO-Verlust zu mz 77 51 weiterfragmentiert

O

R ++

mz 51mz 77

- C2H2 26 u

+

- R

α

+O

- CO 28 u

mz 105

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McLafferty-Umlagerung (ββββ-Spaltung mit γγγγ-H-Transfer)

OH R+

ORH+

15-H OH R+

+

In Molekuumllionen mit C=X-Doppelbindung tritt McLafferty-Umlagerung auf wenn ein γ-H-Atomuumlber die Sechsringkonformation auf X uumlbertragen werden kann Es tritt Alkenverlust aufMan kann die Umlagerung auch konzertiert formulieren

a)

b)

N

H R

+15-H-

N

R+

NR

++

In closed-shell Ionen wird ein analoger Prozeszlig beobachtet Onium-Ionen eliminieren einAlken-Molekuumll unter Bildung eines neuen Onium-Ions

c)

H

R + R

HH

+ HH

+

mz 92

+

R

Alkylaromaten bilden neben der Benzylspaltung mz 92oder Homologe durch McLafferty-Umlagerung DasIon mz 92 ist ein Isomer des Toluol-Molekuumllions

15-H

Eine andere Moumlglichkeit ein Alken aus dem Molekuumllion zu eliminieren ist die

AB

+

A B++

+BAA

B

+

+

Molekuumllionen und closed-shellIonen mit einem Sechsringsystemdas eine Doppelbindung enthaumlltgehen RDA ein Die Dien-Komponentetraumlgt bevorzugt die LadungEs koumlnnen Heteroatome enthalten sein

Retro-Diels-Alder-Reaktion RDA

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R

++N

R

H

Onium-Reaktion

+ HN

Onium-Ionen zeigen Alkenverluste unter Abspaltung des gesamten AlkylrestesDas uumlbertragene H kann aus der ganzen Kette stammen Der Mechanismus isteigentlich komplizierter es treten intermediaumlr Ion-Molekuumll-Komplexe aufWegen der Delokalisierung der Ladung sind sowohl die C=X+-R als auch die R-C+-X-Bindung moumlgliche Positionen fuumlr die Onium-Rkt

a)

c)

OR

+OH+

+R

OR+

+

Vor allem Oxonium-Ionen zeigen neben Alkenverlust auch Aldehydverlust da die Differenz der Protonenaffinitaumlten von Aldehyd und Carbenium-Ion relativ gering istBei genuumlgender innerer Energie gehen alle Onium-Ionen beide Reaktionen ein

b)

NH2R+

+NH2R

R NH2++

OH +O

H

H

+

CO-Verlust aus Phenolen

- CO

mz 9428 u

mz 66

+

+

mz 65

- H

CO-Verlust tritt auszligerdem bei anderen ungesaumlttigten cyclischen Ketonen und beiAcylium-Ionen auf CO-Verlust kann eine thermische Rkt vor der Ionisation sein

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ortho-Effekt oder Retro-14-Addition

OMe

H

O

4

1

+ O+

- MeOH

Bei ortho-substituierten Benzol- und bei 18-substituierten Naphthalinderivatenkoumlnnen Fragmentierungen auftreten die nur durch Wechselwirkung beider Sub-stituenten moumlglich werden Dazu gehoumlren auch OH-Verluste aus Nitroaromaten

Referenzspektren

Anhand von Referenzspektren lassen sich gut substanzklassenspezifische Charakteristikaerkennen Deshalb kommt Spektrenbibliotheken eine groumlszligere Bedeutung als nur die direkteIdentifizierung einer unbekannten Verbindung zu

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NISTEPANIH Mass Spectral Data Base 1998

Tabellen charakteristischer Fragmentionen und MassendifferenzenZur Beachtung

Diese Tabellen sind mit Vorsicht zu genieszligen Es gibt sicher noch viele andere isobareFragmentionen und Massendifferenzen Auszligerdem laumlszligt man sich all zu leicht auf einenbestimmten Interpretationsansatz festlegen

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

30 Amine primaumlre Amine falls

intensiver als homologe

Iminium-Ionen

NH2+

30 Nitroverbindungen NO+

31 Alkohole Ether Acetale wenn intensivstes der

Oxonium-Ionen prim

Alkohol

OH+

32 Sauerstoff meist Untergrund [O2]+

32 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [S]+

33 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [HS]+

34 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [H2S]+

35 Chlorverbindungen plus Isotop 37Cl [Cl]+

36 Chlorverbindungen HCl plus Isotop 37Cl [HCl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

- 35 -

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

- 37 -

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

- 38 -

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

- 39 -

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 19: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen

αααα-Spaltung aktivierter Bindungen

R

O+

α1

α2

RO+

+

O+

R +

α1

α2

Bildung der thermodynamischstabileren Produktpaarung ausIon und Radikal ist bevorzugt

Es wird eine zum Heteroatom α-staumlndigeBindung homolytischgespalten

O+

α

α O+

+ CH3 Das Heteroatom kann

exostaumlndig oder Teileiner Kette sein

O+

H

O+

H

O+

α 15-Hα

O+

+

In alicyclischen Systemen tritt doppelte α-Spaltung unter Umlagerung uumlber distonische Intermediate auf

Als Konkurrenzreaktionwird aber auch die andereProduktpaarung gebildet Deshalb findet man oft zurAbspaltung des Radikals nauch das korrespondierendeIon n+

+

+

R

O

OR

O+

α1

α2

R +

+

α1

α2

Allylspaltung

+

+

+

+

In Alkenen wird bevorzugt die allylische Bindung gespalten wobei das Allylkationgebildet wird

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Alkylspaltung und Olefinverlust aus Alkylkationen

+

+

C2H5

+

C3H7

+ +

- C2H4 28 u

Molekuumllionen mit Alkylketten spalten unselektiv entlang der Kette Alkylradikale abDie gebildeten Alkylkationen gehen Kettenverkuumlrzungen unter Alkenverlust einDaneben treten Isomerisierungen aller Ionenspezies auf

mz 43- CH3

--

Benzylspaltung

+

- C4H9 - C2H2 26 u

mz 77 mz 51

+ +

- C3H7

In Alkylaromaten wird bevorzugt die benzylische Bindung gespalten Es treten die typischen Ionen mz 91 77 65 51 39 oder deren Homologeauf Das Ausmaszlig der Isomerisierung ist verschieden Diese Serie kann aber auch aus nichtaromatischen Ionen gebildet werden wenn die Summenformel C7H7 zustande kommt

- C2H2 26 u

+

+ + +

mz 91 mz 65

- C2H2 26 u

C3H3+

mz 39

+

Die Spaltung der phenylischen Bindung fuumlhrt zu den Ionen bei mz 77 51 Sie ist beiAlkylaromaten weniger bevorzugt

Benzoylverbindungen dagegen bilden durch αminusSpaltung zunaumlchstdas Benzoylkation das unter CO-Verlust zu mz 77 51 weiterfragmentiert

O

R ++

mz 51mz 77

- C2H2 26 u

+

- R

α

+O

- CO 28 u

mz 105

- 21 -

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McLafferty-Umlagerung (ββββ-Spaltung mit γγγγ-H-Transfer)

OH R+

ORH+

15-H OH R+

+

In Molekuumllionen mit C=X-Doppelbindung tritt McLafferty-Umlagerung auf wenn ein γ-H-Atomuumlber die Sechsringkonformation auf X uumlbertragen werden kann Es tritt Alkenverlust aufMan kann die Umlagerung auch konzertiert formulieren

a)

b)

N

H R

+15-H-

N

R+

NR

++

In closed-shell Ionen wird ein analoger Prozeszlig beobachtet Onium-Ionen eliminieren einAlken-Molekuumll unter Bildung eines neuen Onium-Ions

c)

H

R + R

HH

+ HH

+

mz 92

+

R

Alkylaromaten bilden neben der Benzylspaltung mz 92oder Homologe durch McLafferty-Umlagerung DasIon mz 92 ist ein Isomer des Toluol-Molekuumllions

15-H

Eine andere Moumlglichkeit ein Alken aus dem Molekuumllion zu eliminieren ist die

AB

+

A B++

+BAA

B

+

+

Molekuumllionen und closed-shellIonen mit einem Sechsringsystemdas eine Doppelbindung enthaumlltgehen RDA ein Die Dien-Komponentetraumlgt bevorzugt die LadungEs koumlnnen Heteroatome enthalten sein

Retro-Diels-Alder-Reaktion RDA

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R

++N

R

H

Onium-Reaktion

+ HN

Onium-Ionen zeigen Alkenverluste unter Abspaltung des gesamten AlkylrestesDas uumlbertragene H kann aus der ganzen Kette stammen Der Mechanismus isteigentlich komplizierter es treten intermediaumlr Ion-Molekuumll-Komplexe aufWegen der Delokalisierung der Ladung sind sowohl die C=X+-R als auch die R-C+-X-Bindung moumlgliche Positionen fuumlr die Onium-Rkt

a)

c)

OR

+OH+

+R

OR+

+

Vor allem Oxonium-Ionen zeigen neben Alkenverlust auch Aldehydverlust da die Differenz der Protonenaffinitaumlten von Aldehyd und Carbenium-Ion relativ gering istBei genuumlgender innerer Energie gehen alle Onium-Ionen beide Reaktionen ein

b)

NH2R+

+NH2R

R NH2++

OH +O

H

H

+

CO-Verlust aus Phenolen

- CO

mz 9428 u

mz 66

+

+

mz 65

- H

CO-Verlust tritt auszligerdem bei anderen ungesaumlttigten cyclischen Ketonen und beiAcylium-Ionen auf CO-Verlust kann eine thermische Rkt vor der Ionisation sein

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ortho-Effekt oder Retro-14-Addition

OMe

H

O

4

1

+ O+

- MeOH

Bei ortho-substituierten Benzol- und bei 18-substituierten Naphthalinderivatenkoumlnnen Fragmentierungen auftreten die nur durch Wechselwirkung beider Sub-stituenten moumlglich werden Dazu gehoumlren auch OH-Verluste aus Nitroaromaten

Referenzspektren

Anhand von Referenzspektren lassen sich gut substanzklassenspezifische Charakteristikaerkennen Deshalb kommt Spektrenbibliotheken eine groumlszligere Bedeutung als nur die direkteIdentifizierung einer unbekannten Verbindung zu

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NISTEPANIH Mass Spectral Data Base 1998

Tabellen charakteristischer Fragmentionen und MassendifferenzenZur Beachtung

Diese Tabellen sind mit Vorsicht zu genieszligen Es gibt sicher noch viele andere isobareFragmentionen und Massendifferenzen Auszligerdem laumlszligt man sich all zu leicht auf einenbestimmten Interpretationsansatz festlegen

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

30 Amine primaumlre Amine falls

intensiver als homologe

Iminium-Ionen

NH2+

30 Nitroverbindungen NO+

31 Alkohole Ether Acetale wenn intensivstes der

Oxonium-Ionen prim

Alkohol

OH+

32 Sauerstoff meist Untergrund [O2]+

32 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [S]+

33 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [HS]+

34 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [H2S]+

35 Chlorverbindungen plus Isotop 37Cl [Cl]+

36 Chlorverbindungen HCl plus Isotop 37Cl [HCl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 20: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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Alkylspaltung und Olefinverlust aus Alkylkationen

+

+

C2H5

+

C3H7

+ +

- C2H4 28 u

Molekuumllionen mit Alkylketten spalten unselektiv entlang der Kette Alkylradikale abDie gebildeten Alkylkationen gehen Kettenverkuumlrzungen unter Alkenverlust einDaneben treten Isomerisierungen aller Ionenspezies auf

mz 43- CH3

--

Benzylspaltung

+

- C4H9 - C2H2 26 u

mz 77 mz 51

+ +

- C3H7

In Alkylaromaten wird bevorzugt die benzylische Bindung gespalten Es treten die typischen Ionen mz 91 77 65 51 39 oder deren Homologeauf Das Ausmaszlig der Isomerisierung ist verschieden Diese Serie kann aber auch aus nichtaromatischen Ionen gebildet werden wenn die Summenformel C7H7 zustande kommt

- C2H2 26 u

+

+ + +

mz 91 mz 65

- C2H2 26 u

C3H3+

mz 39

+

Die Spaltung der phenylischen Bindung fuumlhrt zu den Ionen bei mz 77 51 Sie ist beiAlkylaromaten weniger bevorzugt

Benzoylverbindungen dagegen bilden durch αminusSpaltung zunaumlchstdas Benzoylkation das unter CO-Verlust zu mz 77 51 weiterfragmentiert

O

R ++

mz 51mz 77

- C2H2 26 u

+

- R

α

+O

- CO 28 u

mz 105

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McLafferty-Umlagerung (ββββ-Spaltung mit γγγγ-H-Transfer)

OH R+

ORH+

15-H OH R+

+

In Molekuumllionen mit C=X-Doppelbindung tritt McLafferty-Umlagerung auf wenn ein γ-H-Atomuumlber die Sechsringkonformation auf X uumlbertragen werden kann Es tritt Alkenverlust aufMan kann die Umlagerung auch konzertiert formulieren

a)

b)

N

H R

+15-H-

N

R+

NR

++

In closed-shell Ionen wird ein analoger Prozeszlig beobachtet Onium-Ionen eliminieren einAlken-Molekuumll unter Bildung eines neuen Onium-Ions

c)

H

R + R

HH

+ HH

+

mz 92

+

R

Alkylaromaten bilden neben der Benzylspaltung mz 92oder Homologe durch McLafferty-Umlagerung DasIon mz 92 ist ein Isomer des Toluol-Molekuumllions

15-H

Eine andere Moumlglichkeit ein Alken aus dem Molekuumllion zu eliminieren ist die

AB

+

A B++

+BAA

B

+

+

Molekuumllionen und closed-shellIonen mit einem Sechsringsystemdas eine Doppelbindung enthaumlltgehen RDA ein Die Dien-Komponentetraumlgt bevorzugt die LadungEs koumlnnen Heteroatome enthalten sein

Retro-Diels-Alder-Reaktion RDA

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R

++N

R

H

Onium-Reaktion

+ HN

Onium-Ionen zeigen Alkenverluste unter Abspaltung des gesamten AlkylrestesDas uumlbertragene H kann aus der ganzen Kette stammen Der Mechanismus isteigentlich komplizierter es treten intermediaumlr Ion-Molekuumll-Komplexe aufWegen der Delokalisierung der Ladung sind sowohl die C=X+-R als auch die R-C+-X-Bindung moumlgliche Positionen fuumlr die Onium-Rkt

a)

c)

OR

+OH+

+R

OR+

+

Vor allem Oxonium-Ionen zeigen neben Alkenverlust auch Aldehydverlust da die Differenz der Protonenaffinitaumlten von Aldehyd und Carbenium-Ion relativ gering istBei genuumlgender innerer Energie gehen alle Onium-Ionen beide Reaktionen ein

b)

NH2R+

+NH2R

R NH2++

OH +O

H

H

+

CO-Verlust aus Phenolen

- CO

mz 9428 u

mz 66

+

+

mz 65

- H

CO-Verlust tritt auszligerdem bei anderen ungesaumlttigten cyclischen Ketonen und beiAcylium-Ionen auf CO-Verlust kann eine thermische Rkt vor der Ionisation sein

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ortho-Effekt oder Retro-14-Addition

OMe

H

O

4

1

+ O+

- MeOH

Bei ortho-substituierten Benzol- und bei 18-substituierten Naphthalinderivatenkoumlnnen Fragmentierungen auftreten die nur durch Wechselwirkung beider Sub-stituenten moumlglich werden Dazu gehoumlren auch OH-Verluste aus Nitroaromaten

Referenzspektren

Anhand von Referenzspektren lassen sich gut substanzklassenspezifische Charakteristikaerkennen Deshalb kommt Spektrenbibliotheken eine groumlszligere Bedeutung als nur die direkteIdentifizierung einer unbekannten Verbindung zu

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NISTEPANIH Mass Spectral Data Base 1998

Tabellen charakteristischer Fragmentionen und MassendifferenzenZur Beachtung

Diese Tabellen sind mit Vorsicht zu genieszligen Es gibt sicher noch viele andere isobareFragmentionen und Massendifferenzen Auszligerdem laumlszligt man sich all zu leicht auf einenbestimmten Interpretationsansatz festlegen

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

30 Amine primaumlre Amine falls

intensiver als homologe

Iminium-Ionen

NH2+

30 Nitroverbindungen NO+

31 Alkohole Ether Acetale wenn intensivstes der

Oxonium-Ionen prim

Alkohol

OH+

32 Sauerstoff meist Untergrund [O2]+

32 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [S]+

33 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [HS]+

34 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [H2S]+

35 Chlorverbindungen plus Isotop 37Cl [Cl]+

36 Chlorverbindungen HCl plus Isotop 37Cl [HCl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 21: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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McLafferty-Umlagerung (ββββ-Spaltung mit γγγγ-H-Transfer)

OH R+

ORH+

15-H OH R+

+

In Molekuumllionen mit C=X-Doppelbindung tritt McLafferty-Umlagerung auf wenn ein γ-H-Atomuumlber die Sechsringkonformation auf X uumlbertragen werden kann Es tritt Alkenverlust aufMan kann die Umlagerung auch konzertiert formulieren

a)

b)

N

H R

+15-H-

N

R+

NR

++

In closed-shell Ionen wird ein analoger Prozeszlig beobachtet Onium-Ionen eliminieren einAlken-Molekuumll unter Bildung eines neuen Onium-Ions

c)

H

R + R

HH

+ HH

+

mz 92

+

R

Alkylaromaten bilden neben der Benzylspaltung mz 92oder Homologe durch McLafferty-Umlagerung DasIon mz 92 ist ein Isomer des Toluol-Molekuumllions

15-H

Eine andere Moumlglichkeit ein Alken aus dem Molekuumllion zu eliminieren ist die

AB

+

A B++

+BAA

B

+

+

Molekuumllionen und closed-shellIonen mit einem Sechsringsystemdas eine Doppelbindung enthaumlltgehen RDA ein Die Dien-Komponentetraumlgt bevorzugt die LadungEs koumlnnen Heteroatome enthalten sein

Retro-Diels-Alder-Reaktion RDA

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R

++N

R

H

Onium-Reaktion

+ HN

Onium-Ionen zeigen Alkenverluste unter Abspaltung des gesamten AlkylrestesDas uumlbertragene H kann aus der ganzen Kette stammen Der Mechanismus isteigentlich komplizierter es treten intermediaumlr Ion-Molekuumll-Komplexe aufWegen der Delokalisierung der Ladung sind sowohl die C=X+-R als auch die R-C+-X-Bindung moumlgliche Positionen fuumlr die Onium-Rkt

a)

c)

OR

+OH+

+R

OR+

+

Vor allem Oxonium-Ionen zeigen neben Alkenverlust auch Aldehydverlust da die Differenz der Protonenaffinitaumlten von Aldehyd und Carbenium-Ion relativ gering istBei genuumlgender innerer Energie gehen alle Onium-Ionen beide Reaktionen ein

b)

NH2R+

+NH2R

R NH2++

OH +O

H

H

+

CO-Verlust aus Phenolen

- CO

mz 9428 u

mz 66

+

+

mz 65

- H

CO-Verlust tritt auszligerdem bei anderen ungesaumlttigten cyclischen Ketonen und beiAcylium-Ionen auf CO-Verlust kann eine thermische Rkt vor der Ionisation sein

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ortho-Effekt oder Retro-14-Addition

OMe

H

O

4

1

+ O+

- MeOH

Bei ortho-substituierten Benzol- und bei 18-substituierten Naphthalinderivatenkoumlnnen Fragmentierungen auftreten die nur durch Wechselwirkung beider Sub-stituenten moumlglich werden Dazu gehoumlren auch OH-Verluste aus Nitroaromaten

Referenzspektren

Anhand von Referenzspektren lassen sich gut substanzklassenspezifische Charakteristikaerkennen Deshalb kommt Spektrenbibliotheken eine groumlszligere Bedeutung als nur die direkteIdentifizierung einer unbekannten Verbindung zu

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NISTEPANIH Mass Spectral Data Base 1998

Tabellen charakteristischer Fragmentionen und MassendifferenzenZur Beachtung

Diese Tabellen sind mit Vorsicht zu genieszligen Es gibt sicher noch viele andere isobareFragmentionen und Massendifferenzen Auszligerdem laumlszligt man sich all zu leicht auf einenbestimmten Interpretationsansatz festlegen

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

30 Amine primaumlre Amine falls

intensiver als homologe

Iminium-Ionen

NH2+

30 Nitroverbindungen NO+

31 Alkohole Ether Acetale wenn intensivstes der

Oxonium-Ionen prim

Alkohol

OH+

32 Sauerstoff meist Untergrund [O2]+

32 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [S]+

33 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [HS]+

34 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [H2S]+

35 Chlorverbindungen plus Isotop 37Cl [Cl]+

36 Chlorverbindungen HCl plus Isotop 37Cl [HCl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

- 37 -

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 22: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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R

++N

R

H

Onium-Reaktion

+ HN

Onium-Ionen zeigen Alkenverluste unter Abspaltung des gesamten AlkylrestesDas uumlbertragene H kann aus der ganzen Kette stammen Der Mechanismus isteigentlich komplizierter es treten intermediaumlr Ion-Molekuumll-Komplexe aufWegen der Delokalisierung der Ladung sind sowohl die C=X+-R als auch die R-C+-X-Bindung moumlgliche Positionen fuumlr die Onium-Rkt

a)

c)

OR

+OH+

+R

OR+

+

Vor allem Oxonium-Ionen zeigen neben Alkenverlust auch Aldehydverlust da die Differenz der Protonenaffinitaumlten von Aldehyd und Carbenium-Ion relativ gering istBei genuumlgender innerer Energie gehen alle Onium-Ionen beide Reaktionen ein

b)

NH2R+

+NH2R

R NH2++

OH +O

H

H

+

CO-Verlust aus Phenolen

- CO

mz 9428 u

mz 66

+

+

mz 65

- H

CO-Verlust tritt auszligerdem bei anderen ungesaumlttigten cyclischen Ketonen und beiAcylium-Ionen auf CO-Verlust kann eine thermische Rkt vor der Ionisation sein

- 23 -

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ortho-Effekt oder Retro-14-Addition

OMe

H

O

4

1

+ O+

- MeOH

Bei ortho-substituierten Benzol- und bei 18-substituierten Naphthalinderivatenkoumlnnen Fragmentierungen auftreten die nur durch Wechselwirkung beider Sub-stituenten moumlglich werden Dazu gehoumlren auch OH-Verluste aus Nitroaromaten

Referenzspektren

Anhand von Referenzspektren lassen sich gut substanzklassenspezifische Charakteristikaerkennen Deshalb kommt Spektrenbibliotheken eine groumlszligere Bedeutung als nur die direkteIdentifizierung einer unbekannten Verbindung zu

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NISTEPANIH Mass Spectral Data Base 1998

Tabellen charakteristischer Fragmentionen und MassendifferenzenZur Beachtung

Diese Tabellen sind mit Vorsicht zu genieszligen Es gibt sicher noch viele andere isobareFragmentionen und Massendifferenzen Auszligerdem laumlszligt man sich all zu leicht auf einenbestimmten Interpretationsansatz festlegen

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

30 Amine primaumlre Amine falls

intensiver als homologe

Iminium-Ionen

NH2+

30 Nitroverbindungen NO+

31 Alkohole Ether Acetale wenn intensivstes der

Oxonium-Ionen prim

Alkohol

OH+

32 Sauerstoff meist Untergrund [O2]+

32 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [S]+

33 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [HS]+

34 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [H2S]+

35 Chlorverbindungen plus Isotop 37Cl [Cl]+

36 Chlorverbindungen HCl plus Isotop 37Cl [HCl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

- 35 -

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

- 36 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

- 37 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

- 38 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

- 39 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 23: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

- 23 -

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ortho-Effekt oder Retro-14-Addition

OMe

H

O

4

1

+ O+

- MeOH

Bei ortho-substituierten Benzol- und bei 18-substituierten Naphthalinderivatenkoumlnnen Fragmentierungen auftreten die nur durch Wechselwirkung beider Sub-stituenten moumlglich werden Dazu gehoumlren auch OH-Verluste aus Nitroaromaten

Referenzspektren

Anhand von Referenzspektren lassen sich gut substanzklassenspezifische Charakteristikaerkennen Deshalb kommt Spektrenbibliotheken eine groumlszligere Bedeutung als nur die direkteIdentifizierung einer unbekannten Verbindung zu

- 24 -

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- 25 -

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NISTEPANIH Mass Spectral Data Base 1998

Tabellen charakteristischer Fragmentionen und MassendifferenzenZur Beachtung

Diese Tabellen sind mit Vorsicht zu genieszligen Es gibt sicher noch viele andere isobareFragmentionen und Massendifferenzen Auszligerdem laumlszligt man sich all zu leicht auf einenbestimmten Interpretationsansatz festlegen

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

30 Amine primaumlre Amine falls

intensiver als homologe

Iminium-Ionen

NH2+

30 Nitroverbindungen NO+

31 Alkohole Ether Acetale wenn intensivstes der

Oxonium-Ionen prim

Alkohol

OH+

32 Sauerstoff meist Untergrund [O2]+

32 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [S]+

33 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [HS]+

34 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [H2S]+

35 Chlorverbindungen plus Isotop 37Cl [Cl]+

36 Chlorverbindungen HCl plus Isotop 37Cl [HCl]+

- 26 -

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

- 28 -

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

- 38 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

- 39 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 24: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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NISTEPANIH Mass Spectral Data Base 1998

Tabellen charakteristischer Fragmentionen und MassendifferenzenZur Beachtung

Diese Tabellen sind mit Vorsicht zu genieszligen Es gibt sicher noch viele andere isobareFragmentionen und Massendifferenzen Auszligerdem laumlszligt man sich all zu leicht auf einenbestimmten Interpretationsansatz festlegen

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

30 Amine primaumlre Amine falls

intensiver als homologe

Iminium-Ionen

NH2+

30 Nitroverbindungen NO+

31 Alkohole Ether Acetale wenn intensivstes der

Oxonium-Ionen prim

Alkohol

OH+

32 Sauerstoff meist Untergrund [O2]+

32 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [S]+

33 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [HS]+

34 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [H2S]+

35 Chlorverbindungen plus Isotop 37Cl [Cl]+

36 Chlorverbindungen HCl plus Isotop 37Cl [HCl]+

- 26 -

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

- 27 -

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

- 28 -

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

- 31 -

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

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NISTEPANIH Mass Spectral Data Base 1998

Tabellen charakteristischer Fragmentionen und MassendifferenzenZur Beachtung

Diese Tabellen sind mit Vorsicht zu genieszligen Es gibt sicher noch viele andere isobareFragmentionen und Massendifferenzen Auszligerdem laumlszligt man sich all zu leicht auf einenbestimmten Interpretationsansatz festlegen

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

30 Amine primaumlre Amine falls

intensiver als homologe

Iminium-Ionen

NH2+

30 Nitroverbindungen NO+

31 Alkohole Ether Acetale wenn intensivstes der

Oxonium-Ionen prim

Alkohol

OH+

32 Sauerstoff meist Untergrund [O2]+

32 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [S]+

33 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [HS]+

34 Thiole Thioether Isotopenmuster beachten [H2S]+

35 Chlorverbindungen plus Isotop 37Cl [Cl]+

36 Chlorverbindungen HCl plus Isotop 37Cl [HCl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

- 28 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

- 29 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

- 30 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

- 31 -

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 26: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

39 stark unges Systeme Aromaten [C3H3]+

43 Acetylverbindungen wenn Int43 gtgt Int41

O+

43 Propylgruppe oder laumlngerer

Alkylrestnur mit mz 41 39 C3H7+

44 Kohlendioxid thermisches

Zersetzungsprodukt oder

Leck

[CO2]+

44 Carbonsaumlureamide Urethane

+

H2N

O

44 Amine meist auch noch andere

Iminium-Ionen

+NH2 N

H

+

44 Aldehyde durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum

Acetaldehyd-Molekuumllion

OH

H

+

45 2-Alkanole tert Alkohole Oxonium-Ion+OH+OH

45 Methylether Oxonium-Ion+O

45 Verb mit Ethoxygruppen C2H5O+

45 Carbonsaumluren oft wenig intensivO

OH+

45 Thiole Thioether S-Muster [CHS]+

46 Thiole Thioether S-Muster [CH2S]+

46 Nitroverbindungen mit [M-30] [M-46] [NO2]+

47 Chlorverbindungen Cl-Muster [CCl]+

47 Thiole Thioether Sulfonium-Ion S-Muster SH+

48 Thiole Thioether S-Muster [H3C-SH]+

48 Chlorverbindungen Cl-Muster [CHCl]+

48 Sulfoxide Sulfone S-Muster [SO]+

49 Verb mit CH2Cl-Gruppe Cl-Muster [CH2Cl]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

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___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

- 29 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

- 31 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 27: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

50 stark unges Verbindungen

subst Aromaten[C4H2]+

51 stark unges Verbindungen

Aromatendeutlich bei Benzoylverb [C4H3]+

52 stark unges Verbindungen

Aromaten[C4H4]+

58 Ketone durch McLafferty-Uml

tautomerisiert zum Aceton-

Molekuumllion

+OH

59 Carbonsaumlureamide durch McLafferty-Uml +OH

NH2

59 Carbonsaumluremethylester durch α-Spaltung

+

O

OMe

60 Carbonsaumluren durch McLafferty-Uml +OH

OH

60 Acetate wenn McLafferty-Uml

moumlglich ist

O

OH+

60 Nitrite Typ R-CH2-ONO

ON

O+

61 Thiole Thioether Sulfonium-Ion C2H5S+

63 Aromaten [C5H3]+

65 Benzylverbindungen plus mz 91 [C5H5]+

70 Pyrrolidine

N+

H

73 Carbonsaumluren Basispeak bei langkettigen

Saumluren durch γ-Spaltung

+ OH

OH

73 Acetate vgl mz 43 und 60

H3C-COOCH2-R

O

O+

73 Trimethylsilylgruppen vgl Isotopenpeak [(CH3)3Si]+

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

- 36 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

- 37 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

- 38 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

- 39 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 28: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

- 28 -

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

74 Carbonsaumluremethylester vgl mz 59 [M-31] [M-59] OH

OMe

+

75 unges Verbindungen Aromaten [C6H3]+

75 DimethylacetaleMeO

OMe+

76 Subst Aromaten [C6H4]+

77 Aromaten Phenylkation [C6H5]+

79 unges Kohlenwasserstoffe [C6H7]+

79 Bromverbindungen nur mit mz 81 11 Br+

80 C- und N-Alkylpyrrole

N

+NH

+

80 Bromverbindungen nur mit mz 82 11 HBr+

81 N-Alkylpyrrole vgl mz 80 [C5H7N]+

81 Alkylfurane 2H-Pyrane

OO

++

84 unges oder cycl Amine unges Iminium-Ionen C5H10N+

84 C-Alkylpiperidine

N-Methyl-alkylpyrrolidine N+

HN+

87 laumlngerkettige Methylester durch γ-Spaltung OH

OMe

+

89 Heterocyclen

Benzylverbindungen[C7H5]+

91 Benzylverbindungen +

+

94 Phenoxyverbindungen [C6H6O]+

95 Acylsubstituierte Furane +

OO

- 29 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

- 30 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

- 31 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

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Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

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Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 29: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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mz Substanzklasse Erlaumluterungen Formel

97 Alkylthiophene S-Muster +

HS

105 Benzoylverbindungen Benzoylkation immer mit

mz 77 51O+

105 Alkylbenzole nur mit mz 91 77 65 51 +

107 Benzylalkohole

Benzylether +OH

120 SalicylateC

O

O

+

121 Hydroxy-benzoylverbindungen +O

OH

127 Naphthylverbindungen immer zusammen mit

arom Fragmenten+

127 Jodverbindungen monoisotopisch I+

128 Jodverbindungen monoisotopisch HI+

149 Phthalester (Weichmacher) O

O

OH+

VerunreinigungenUntergrundsignale von Luft (mz 18 28 32 40 44)Weichmacher aus PE-Geraumlten oder Parafilm (mz 149 167 279)Schliffett oder GC-Saumlulenbluten (mz 73 207 281 355 429 503 mit Six-Mustern)Kohlenwasserstoffe aus NaH-Dispersion Fingerabdruck (Alkylionen bis etwa C40H81

+)PFK (mz 69 119 131 169 181 219 231 243 281 317 331 )Schwefel bei Rkts mit Sx-Verbindungen (mz 32 64 96 128 160 192 224 256 Sx-Muster)

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Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

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___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

- 32 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

- 34 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

- 35 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

- 36 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

- 37 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

- 38 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

- 39 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 30: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Zusammenstellung charakteristischer Massendifferenzen

∆∆∆∆M Formel Kommentar

1 H H in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

2 H2 aus Aromaten

4 2 H2 aus Aromaten

15 CH3 Methylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

16 O N-Oxide Sulfoxidearomat Nitroverbindungen

16 NH2 Amine aromatCarbonsaumlureamide

17 OH Carbonsaumluren PhenoleAlkohole ggf aromat substNitroverbindungen

17 NH3 Amine

18 H2O Alkohole PhenoleAldehyde manche Ketone

19 F Fluorverbindungen

20 HF Fluorverbindungen

26 C2H2 Aromaten

27 HCN aromatische AmineN-Heterozyklen

28 CO Chinone einfache PhenoleO-Heterozyklen aromatischeKetone Aldehyde

28 CH2N aromatische AmineN-Heterozyklen

28 C2H4 sehr haumlufig eher untypisch

29 CHO einfache Phenole

29 C2H5 Ethylgruppe in fragmentierungs-guumlnstiger Stellung

30 CH2O Aryl-methyl-etherEster

30 NO einfache aromat vgl M-16 M-46Nitroverbindungen

- 31 -

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∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

- 32 -

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Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

- 34 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

- 35 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

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___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

- 38 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

- 39 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 31: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

- 31 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

∆ ∆ ∆ ∆M Formel Kommentar

32 CH4O DicarbonsaumlureMethylester

32 S aromatische Disulfide

33 HS Thiole aromatischeThioether

33 CH3 plus H2O stufenweise aus dem Molekuumllion

34 H2S Thiole

36 HCl Chlorverbindungen vgl Isotopenpeak

40 C2H2N CH2CN in fragmen-tierungsguumlnstigerStellung

40 H3CCequivCH bei guumlnstiger Stellung

42 C2H2O Phenol- und Enolacetate vgl mz 43N-Acetylverbindungen

42 CH2N2 einfache Purine undPteridine mit derAnordnung N-C-N

43 C2H3O Acetylverbindungen

43 CHNO einfache PyrimidinePurine und Pteridinemit der Anordnung O-C-N

44 CO2 einige Anhydride Carbonate(RO)2CO einfache Esterunges Fettsaumluren

44 C2H4O Aldehyde

45 C2H5O Verbindungen mitEthoxygruppe

45 COOH aus Carbonsaumluren

58 CNO2 aromat Nitroverbindungen

59 COOMe Methylester vgl M-31 mz 74

60 C2H4O2 Acetate HC-C-O-COCH3 vgl M-4264 SO2 Sulfonamide uauml

77 C6H5 einige Benzolderivate

79 Br Brom-subst Verb Isotopenmuster beachten

91 C7H7 Benzylverbindungen vgl mz 91

127 I Iod-subst Verb

- 32 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

- 33 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

- 34 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

- 35 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

- 36 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

- 37 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

- 38 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

- 39 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 32: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

- 32 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Regeln fuumlr die Spektreninterpretation

Die Ionenchemie in der Gasphase und die Valenz der Elemente fuumlhren zu einigen Regelndie bei der Interpretation von Massenspektren einzuhalten sind

Regel 1 Die Erkennung des Molekuumllions im Massenspektrum ist ein wichtiger Schritt zurInterpretation da aus mz des Molekuumllions die Summenformel der untersuchten Substanzabgeleitet werden kann Zwischen Fragmentionen und Molekuumllion muumlssen als Folge derFragmentierung des Molekuumllions chemisch sinnvolle Massendifferenzen bestehen

Regel 2 Einmal gebildete closed-shell Ionen A+ oder B+ gehen keine erneuteRadikalspaltung mehr ein sondern zeigen nur noch Neutralabspaltungen (Even electronrule) Aus Neutralabspaltungen gebildete open-shell Ionen C+ verhalten sich wieMolekuumllionen M+ des entsprechend kleineren Molekuumlls

Regel 3 Bei konkurrierenden Homolysen bestimmt meist die Produktstabilitaumlt denbevorzugten Reaktionsweg wegen der Bildung des thermodynamisch stabilerenProduktpaars aus Radikal und closed-shell Ion

Regel 4 Enthaumllt ein Molekuumll 1 3 5 Stickstoffatome so ist seine Molmasse ungerad-zahlig Enthaumllt ein Molekuumll 0 2 4 Stickstoffatome so ist seine Molmasse geradzahlig(Stickstoffregel)

Regel 5 Homolysen (Radikalabspaltungen) fuumlhren zur Bildung von Primaumlrfragmenten mitungeradzahliger Massendifferenz zum Molekuumllion Verluste intakter Molekuumlle(Neutralabspaltungen) fuumlhren zu geradzahligen Massendifferenzen zum MolekuumllionZusammen mit Stickstoff im Molekuumll kann eine Umkehrung der Regel eintreten (durchH2NR bzw NH3- Verluste)

Regel 6 Man berechne r + d sobald man die Summenformel einer Verbindung zu kennenglaubt Diskrepanzen deuten auf Fehler in der Summenformel oder Elemente mit andererOxidationsstufe als angenommen

Regel 7 Eine korrekte Zuordnung der Primaumlrfragmente der intensivsten Fragmente undder charakteristischen Ionen im Spektrum ist zur Absicherung des Strukturvorschlags undder Summenformel unerlaumlszliglich

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___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

- 34 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

- 35 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

- 36 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

- 37 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

- 38 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

- 39 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 33: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

- 33 -

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Systematische Interpretation von Massenspektren - Ein Wegweiser

1) Hintergrundinformationen zum Spektrum beachten Chemische Herkunft der Substanzthermische Stabilitaumlt Hinweise aus anderen Spektren oder CHN-Analyse

2) Allgemeine Erscheinung des Spektrums Intensive Molpeakregion (AromatenHeterocyclen Polycyclen) oder umgekehrt (Aliphaten) Handelt es sich um ein 70 eV EI-Spektrum oder eine andere Ionisationsmethode (CI NICI FI FD FAB (LSIMS) MALDIESI) Zeigt das Spektrum typische Fehler (Grundlinie Memory Luft) oder Verunreinigungen(Loumlsungsmittel Weichmacher Schliffett)

3) Massenzahlen Alle wesentlichen Peaks beschriften und Differenzen ermitteln Gibt esexakte Massen aus HR-MS

4) Charakteristische Fragmentionen(serien) und Massendifferenzen

5) Molpeakerkennung Ergeben sich sinnvolle Massendifferenzen zu den anderen SignalenKann es sich um MndashH2O MndashNH3 o auml handeln Daraus ergeben sich ggf Hinweise auf N Oin der Summenformel

6) Summenformel ermitteln Dazu Stickstoffregel anwenden und Isotopenmuster auswertena) Heteroatome (Cl Br S Si) und deren Anzahl b) Anzahl der C-Atome abschaumltzen (evtl[M+H]+) Wenn vorhanden Summenformelvorschlaumlge aus HR-MS-Listen mit Erwartungaus Isotopenmuster korrelieren

7) r + d berechnen Gesaumlttigte oder ungesaumlttigte Verbindung Ringe

8) Primaumlrfragmente Massendifferenzen zum Molpeak Deutliche Bevorzugung bestimmterSpaltungen Veraumlndert sich r + d durch Abspaltung bestimmter Molekuumllfragmente

9) Strukturvorschlag eher ein Zusammenfuumlgen der aus 1)ndash8) gewonnenen Informationen

10) Fragmentierungsschema erstellen Auf Stickstoffregel und Unterschied zwischenHomolysen und Neutralverlusten sowie Even electron-rule (keine Homolysen aus closed-shellIonen) achten

11) Uumlbereinstimmung aller Informationen oder Widerspruumlche Kritische Punkte erneutuumlberdenken Andere Stuktur denkbar Grenzen der massenspektrometrischen Information

12) Referenzspektrum aus Datenbank suchen oder wenigstens mit Spektren der gleichenSubstanzklasse vergleichen

13) Schema nie starr anwenden sondern oumlfters Ruumlckspruumlnge machen

- 34 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

- 35 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

- 36 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

- 37 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

- 38 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

- 39 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 34: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

- 34 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Zugang zur MS durch Literatur und InternetViele der aufgefuumlhrten Buumlcher und manche Zeitschriften koumlnnen bei MSOCIHD eingesehenwerden Die Bibliothek am DKFZ hat einen guten Bestand an MS Zeitschriften Eine stetsaktuelle Literaturliste Infos zu Seminaren und Tagungen Links und viel viel mehr zumleichteren Einstieg in die MS bietet unsere Homepage

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher1) M Hesse H Meier B Zeeh Spektroskopische Methoden in der Organischen Chemie

6 Aufl Thieme Stuttgart 2002 das Buch zum Kurs

2) F W McLafferty F Turecek Interpretation of Mass Spectra 4rd Ed University Science Books Mill Valley 1993 sehr gutes Buch fuumlr Spektreninterpretation seit 1996 auch in deutscher Uumlbersetzung im Spektrum Verlag

3) H Budzikiewicz Massenspektrometrie - Eine Einfuumlhrung 4 Aufl VCH Weinheim 1998 preiswert mit akzeptablem Umfang

4) E Schroumlder Massenspektrometrie - Begriffe und Definitionen Springer Berlin 1991 vgl dazu D Kuck Angew Chem 1992 104 Buchbesprechung

5) D H Williams I Flemming Strukturaufklaumlrung in der Organischen Chemie 5 Aufl Thieme Stuttgart 1991

6) E De Hoffmann J Charette V Stroobant Mass Spectrometry - Principles and Applications 2nd Ed Wiley 2002

7) T A Lee A Beginners Guide to Mass Spectral Interpretation 1st Edn John Wiley amp Son 1998 Nur EI-Interpretation keine Grundlagen keine anderen Methoden

8) J T Watson Introduction to Mass Spectrometry 3rd Edn Lippincott-Raven Philadelphia 1997 sehr umfassend teilweise etwas altlastig teuer

9) R M Smith K L Busch Understanding Mass Spectra A Basic Approach John Wileyamp Sons New York 1998 EI- und GC-MS aus der Sicht eines gerichtsmedizinischen Praktikers erklaumlrt relativ teuer

10) J R Chapman Practical Organic Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1993 anwendungsbetont umfassend viel weiterfuumlhrende Literatur

11) R G Cooks J H Beynon R M Caprioli R G Lester Metastable Ions Elsevier Amsterdam 1973 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Geraumltegrundlagen

12) K Levsen Fundamental Aspects of Organic Mass Spectrometry VCH Weinheim 1978 sehr gute Einfuumlhrung in Ionenchemie und Methoden viel Literatur

13) H E Duckworth R C Barber V S Venkatasubramanian Mass Spectrometry 2nd Ed Cambridge University Press 1986 kompaktes MS-Wissen

14) J Barker Mass Spectrometry 2nd Ed Wiley Chichester 1999 Kursprogramm zum Selbststudium der MS teilweise fehlerhaft und leider teuer

15) E Pretsch P Buumlhlmann C Affolter Structure Determination of Organic Compounds 3 Aufl Springer Heidelberg 2000 gute Tabellen zu IR UV MS NMR fuumlr Klausur und Praxis

- 35 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

- 36 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

- 37 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

- 38 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

- 39 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 35: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

- 35 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Klassiker der MS-Literatur1) J J Thomson Rays of Positive Electricity and their Application to Chemical Analysis

Longmans Green and Co London 1913 das Urbuch zur MS

2) H Kienitz in Massenspektrometrie H Kienitz Hrsg VCH Weinheim 1968

3) J H Beynon Mass Spectrometry and its Application to Organic Chemistry Elsevier Amsterdam 1960

4) H Budzikiewicz C Djerassi D H Williams Mass Spectrometry of Organic Compounds Holden-Day San Francisco 1967

5) F W McLafferty Ed Mass Spectrometry of Organic Ions Academic Press New York 1963

Monographien1) Q N Porter J Baldas Mass Spectrometry of Heterocyclic Compounds Wiley-

Interscience New York 1971

2) E W Schlag Hrsg Time-of-Flight Mass Spectrometry and Its Applications Elsevier Amsterdam 1994 technisch-grundlagenbetonte TOF-MS

3) J S Spiteller F Turecek Hrsgs Applications of Mass Spectrometry to Organic Stereochemistry VCH Weinheim 1994

4) L Prokai Field Desorption Mass Spectrometry Marcel Dekker New York 1990

5) G M Message Practical Aspects of Gas ChromatographyMass Spectrometry Wiley New York 1984

6) F W McLafferty Hrsg Tandem Mass Spectrometry Wiley New York 1983

7) K L Bush G L Glish F W McLuckey Mass SpectrometryMass Spectrometry VCH New York 1988

8) A G Harrison Chemical Ionization Mass Spectrometry 2nd Edition CRC Press Boca Raton 1992

9) W D Lehmann Massenspektrometrie in der Biochemie Spektrum Verlag Heidelberg 1996 sehr gutes Buch zu sanften Ionisationsmethoden auszliger FD

Zeitschriften und ReihenOrganic Mass Spectrometry Org Mass Spectrom OMS bis Ende 1994

Biological Mass Spectrometry Biol Mass Spectrom BMS bis Ende 1994

Journal of Mass Spectrometry J Mass Spectrom JMS seit 1995 durch Zusammenlegungvon OMS und BMS

European Journal of Mass Spectrometry Eur J Mass Spectrom EJMS seit 1995erscheinend bis incl 1999 als European Mass Spectrometry

Journal of the American Society for Mass Spectrometry J Am Soc Mass Spectrom JASMS

Rapid Communications in Mass Spectrometry Rapid Commun Mass Spectrom RCM

- 36 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

- 37 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

- 38 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

- 39 -

___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 36: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

- 36 -

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International Mass Spectrometry Int Mass Spectrom oft wechselnder Name in derVergangenheit (Int J Mass Spectrom Ion Processes Int J Mass Spectrom Ion Phys)

Mass Spectrometry Reviews Mass Spectrom Rev umfassende Reviews

Analytical Chemistry Anal Chem viel MS-Anwendung

Advances in Mass Spectrometry Adv Mass Spectrom Reihe alle 3 Jahre ein(Tagungs)Band

Breitgefaumlcherte Zeitschriften wie Angew Chem J Am Chem Soc Chem Rev ChemUnserer Zeit bringen gelegentlich Reviews Uumlbersichten oder Highlights zu Themen derMS

Referateorgane

Mass Spectrometry Bulletin der Royal Society of Chemistry 1966-94 Einsicht im MS-Labor

Chemical Abstracts Selects - Mass Spectrometry 1995-1998 Einsicht im MS-Labor

Spektrenbibliotheken

Das Organisch-Chemische Institut verfuumlgt uumlber die NISTEPANIH Mass Spectral Databasemit uumlber 120000 EI-Massenspektren Diese Datenbank kann am PC durchsucht werdenEinfuumlhrungen fuumlr 2ndash4 Studenten mit bestandenem Spektroskopiekurs werden nachVereinbarung veranstaltetAuszligerdem liegen Eight Peak Index of Mass Spectra und The WileyNBS Registry of MassSpectral Data in gedruckter Form in unserem MS-Labor vor

Fragen kostet nichts - fast nichtsDoch es gibt dumme Fragen Aber selten Damit es in der Zukunft noch weniger werden binich im Labor oder Buumlro fast immer ansprechbar egal ob es im Kurs um Probleme mitUumlbungen oder spaumlter um die Auswahl geeigneter MS-Techniken oder die Interpretation vonSpektren aus der Forschung geht Natuumlrlich haben auch die Mitarbeiter am Geraumlt ein offenesOhr fuumlr die Alltagsproblemchen mit der MS Als kleine Gegenleistung erwarten wir Interesseund das Engagement auch in der MS immer noch dazuzulernen

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___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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___________________________________________________________________________________________________Skript Massenspektrometrie zum Kurs Spektroskopische Methoden Dr J H Gross OCI INF 270 Uni Heidelberg

Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

Page 37: Massenspektrometrie - uni-due.de · Molekülen sind das ca. 7–15 eV. Man erhält Molekülionen, die kaum noch fragmentieren können, so daß der Molpeak relativ intensiver auftritt

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METHODE 1

Grundprinzip der Massenspektrometrie 1

Terminologie 1

IONENCHEMIE IN DER GASPHASE 2

Elektronenstoszligionisation 2

Thermodynamische Aspekte 3

Quasi-Equilibrium-Theorie 4

Massenspektrometrische Zeitskala 4

Identifizierung des Molpeaks 5

FUNKTION EINES MASSENSPEKTROMETERS 6

Ionenquelle 6

Geschwindigkeit der Ionen beim Eintritt in den Analysator 6

Analysator 7

Der Analysator im Sektorfeldmassenspektrometer 7

Flugbahn im homogenen Magnetfeld 8

Flugbahn im elektrischen Feld 9

Aufloumlsungsvermoumlgen 9

METASTABILE IONEN UND STOszligAKTIVIERUNGS-MS 9

Instabile Ionen 9

Stabile Ionen 10

Metastabile Ionen 10

Scantechnik beim Sektorfeldgeraumlt 10

DETEKTOR 11

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

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DATENSYSTEM 12

ISOTOPIE DER ELEMENTE 12

Information aus den Isotopenpeaks 12

Der 13C-Peak 13

M+2 Elemente 13

HOCHAUFLOumlSENDE MASSENSPEKTROMETRIE UND EXAKTE MASSE 16

Massendefekt 16

Bestimmung der Summenformel 17

Ringe plus Doppelbindungen 18

FRAGMENTIERUNGSREAKTIONEN 18

Die wichtigsten Fragmentierungsreaktionen 19

REFERENZSPEKTREN 23

TABELLEN CHARAKTERISTISCHER FRAGMENTIONEN UNDMASSENDIFFERENZEN 25

Zur Beachtung 25

VERUNREINIGUNGEN 29

ZUSAMMENSTELLUNG CHARAKTERISTISCHER MASSENDIFFERENZEN 30

REGELN FUumlR DIE SPEKTRENINTERPRETATION 32

SYSTEMATISCHE INTERPRETATION VON MASSENSPEKTREN - EINWEGWEISER 33

ZUGANG ZUR MS DURCH LITERATUR UND INTERNET 34

Einfuumlhrungen Lehrbuumlcher 34

Klassiker der MS-Literatur 35

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36

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Monographien 35

Zeitschriften und Reihen 35

Referateorgane 36

Spektrenbibliotheken 36

FRAGEN KOSTET NICHTS - FAST NICHTS 36