Espectrometría de masas. Conceptos básicos

Summary

El video explica los principios básicos de la espectrometría de masas, destacando su funcionamiento y proceso. Se describe cómo una muestra se vaporiza, se ioniza mediante un campo eléctrico de alto voltaje, y cómo los iones generados se fragmentan, siendo detectados según su relación masa/carga (m/z). También se discuten conceptos clave como el ion molecular y el pico base, mostrando cómo la espectrometría de masas permite identificar la estructura y masa molecular de las sustancias, apoyada en otras técnicas analíticas como el RMN y espectros infrarrojos.

Takeaways

• 🔬 La espectrometría de masas se basa en la volatilización, ionización y análisis de moléculas en fase gaseosa.
• ⚡ Las moléculas gaseosas son ionizadas al atravesar un campo eléctrico de alto voltaje de 70 electronvoltios.
• 🧪 El electrón que impacta una molécula gaseosa la ioniza, generando un catión radical con carga positiva.
• 💥 Las moléculas ionizadas pueden fragmentarse, dependiendo de su estructura, generando diferentes iones.
• ⚙️ La fragmentación de un ion molecular puede producir diferentes especies cargadas que son detectadas en el espectrómetro.
• 📈 Los fragmentos cargados atraviesan un campo magnético que curva su trayectoria según su relación masa/carga (m/z).
• 🔍 El espectrómetro detecta la posición de colisión de los fragmentos y genera una gráfica que muestra los picos según m/z.
• 🏔️ El pico base es el fragmento más abundante en el espectro, mientras que el ion molecular muestra la masa total de la molécula.
• 🌿 Los isótopos como carbono 13 y 14 pueden generar picos adicionales en el espectro debido a su presencia en los fragmentos.
• 🧩 La espectrometría de masas es clave para determinar la estructura molecular, complementada con otras técnicas como el RMN y el infrarrojo.

Q & A

¿Qué es la espectrometría de masas?

La espectrometría de masas es una técnica que permite identificar y analizar la composición de una muestra al ionizarla y separar los fragmentos moleculares según su relación masa-carga (m/z).

¿Cuál es el primer paso en un espectrómetro de masas?

El primer paso es la volatilización de la muestra, que se introduce en una cámara donde se vaporiza y pasa a la fase gaseosa.

¿Qué ocurre en la cámara de ionización del espectrómetro de masas?

En la cámara de ionización, la muestra gaseosa es sometida a un campo eléctrico de alto voltaje, lo que genera iones mediante la colisión de electrones con las moléculas de la muestra.

¿Qué es un catión radical en espectrometría de masas?

Un catión radical es una molécula que ha perdido un electrón debido al impacto de un electrón externo, quedando con carga positiva y un electrón desapareado.

¿Qué ocurre cuando una molécula se fragmenta en el espectrómetro de masas?

La fragmentación de la molécula puede generar diferentes iones. Un ion molecular puede romperse generando un catión y un radical, o un catión radical y una molécula neutra, dependiendo de la estructura de la molécula.

¿Cómo se separan los fragmentos generados en un espectrómetro de masas?

Los fragmentos ionizados pasan por un campo magnético que curva sus trayectorias según su relación masa-carga. Esto permite que lleguen a un detector que mide la posición y número de colisiones, determinando la abundancia de cada fragmento.

¿Qué información proporciona el pico base en un espectro de masas?

El pico base es el fragmento más abundante en el espectro de masas, representando el fragmento que se detecta con mayor frecuencia.

¿Qué es el ion molecular en el espectro de masas?

El ion molecular es la molécula que ha perdido un electrón pero no se ha fragmentado, lo que permite determinar su masa molecular total.

¿Cómo afecta la presencia de isótopos en el espectro de masas?

La presencia de isótopos genera múltiples picos en el espectro, ya que elementos como el carbono tienen isótopos como el carbono-12, carbono-13 y carbono-14, que forman fragmentos con diferentes masas.

¿Por qué es importante la espectrometría de masas en la determinación de estructuras moleculares?

La espectrometría de masas, junto con otras técnicas como RMN e infrarrojos, es crucial para determinar la estructura molecular de compuestos orgánicos al identificar los fragmentos que se generan y su relación masa-carga.

Outlines

00:00

🔬 Introducción a los principios de la espectrometría de masas

En este primer párrafo se presenta una introducción general sobre la espectrometría de masas. Se describe el funcionamiento de un espectrómetro de masas, comenzando con la volatilización de la muestra, la ionización de las moléculas gaseosas al pasar por un campo eléctrico de alto voltaje, y el proceso mediante el cual un electrón impacta la molécula vaporizada, generando un catión radical. Se destaca que este ion molecular es clave para el análisis de las sustancias.

05:01

⚡ Proceso de fragmentación de los iones moleculares

Aquí se aborda el proceso de fragmentación del ion molecular generado durante la ionización. El ion molecular puede fragmentarse en un catión y un radical o en un catión radical y una molécula neutra. El texto detalla cómo estas fragmentaciones generan diferentes iones cargados que serán los únicos de interés en el análisis, ya que los radicales y especies neutras no influyen en el espectro.

10:02

💥 Comportamiento de los iones en el campo magnético

Este párrafo explica cómo los iones cargados atraviesan un campo magnético que curva su trayectoria según la masa y carga de los fragmentos generados. Estos iones impactan en un detector que mide la relación masa/carga (m/z) y la abundancia de cada ion, representado en un espectro. Se menciona el 'pico base', que corresponde al ion más abundante, y se discute la importancia del 'ion molecular' en la determinación de la masa de la molécula.

15:02

🔍 Análisis detallado del espectro de masas

Se examina un espectro de masas de una molécula específica (2-metilbutano). El texto explica cómo las señales en el espectro pueden atribuirse a isótopos de carbono y se detalla el proceso mediante el cual la molécula pierde un electrón, formando un catión radical. Se analiza cómo el espectro puede determinar la masa molecular de la sustancia, observando que el valor de m/z debe ser par si no hay nitrógenos presentes.

⚙️ Fragmentación y detección de los iones

Se explica cómo el ion molecular puede fragmentarse aún más cuando pasa a través del campo eléctrico, generando fragmentos como un catión y un radical. Este proceso se ejemplifica con la ruptura de un enlace carbono-carbono, lo que resulta en fragmentos de diferentes masas, que son detectados en el espectro. También se calcula el valor de m/z para fragmentos como el etilo (m-29) y otros fragmentos característicos.

🔗 Fragmentaciones comunes y su impacto en el espectro de masas

Este párrafo analiza más detalladamente las fragmentaciones que ocurren en el ion molecular y su impacto en el espectro. Se mencionan fragmentos como el metilo (m-15) y cómo su pérdida contribuye a la aparición de picos en el espectro. Se explica que estas fragmentaciones generan iones con alta estabilidad, lo que aumenta su abundancia en el espectro. También se discute la presencia de picos con menor abundancia relativa debido a fragmentaciones menos probables.

🧪 Importancia de la espectrometría de masas en la ciencia moderna

El último párrafo destaca la relevancia de la espectrometría de masas como una técnica esencial para la determinación de masas moleculares y estructuras químicas. Se compara con técnicas antiguas, como el descenso crioscópico, y se enfatiza cómo esta técnica, junto con espectroscopías complementarias (como RMN e infrarroja), permite una caracterización detallada de moléculas orgánicas.

Keywords

💡Espectrometría de masas

Es una técnica analítica utilizada para identificar la composición química de una muestra a través de la medición de la relación masa/carga (m/z) de los iones generados. En el video, se describe cómo las moléculas se ionizan y fragmentan, lo que permite determinar su estructura y masa molecular.

💡Ionización

Proceso mediante el cual una molécula pierde o gana electrones, creando un ion. En el video, se explica cómo las moléculas gaseosas son ionizadas mediante un campo eléctrico de alto voltaje, lo que genera un catión radical (M+·) que es fundamental para la espectrometría de masas.

💡Catión radical

Es una molécula ionizada que tiene una carga positiva debido a la pérdida de un electrón y un electrón desapareado. Este catión radical es clave en la espectrometría de masas, ya que su trayectoria y fragmentación se analizan para determinar la estructura molecular.

💡Fragmentación

Es la ruptura de una molécula ionizada en fragmentos más pequeños durante su paso por el espectrómetro de masas. En el video, se explica cómo el ion molecular puede romperse en fragmentos, como M1 y M2, que son detectados y analizados.

💡Relación masa/carga (m/z)

Es la relación entre la masa de un ion y su carga eléctrica. En la espectrometría de masas, esta relación es fundamental, ya que permite identificar y clasificar los fragmentos de la molécula analizada. Se menciona que la carga de los iones es típicamente +1, lo que simplifica el cálculo de la masa.

💡Pico base

Es el pico más alto en un espectro de masas, que representa el ion más abundante. En el video, se menciona un pico base en m/z 57, lo que indica que este fragmento es el más común en la muestra analizada.

💡Ion molecular

Es el ion formado cuando una molécula pierde un electrón sin fragmentarse. Es clave en la espectrometría de masas porque su masa es igual a la masa de la molécula original. El video destaca la importancia de identificar el ion molecular para determinar la masa de la molécula.

💡Campo eléctrico

Es el campo utilizado para ionizar las moléculas en la espectrometría de masas. En el video, se describe cómo las moléculas gaseosas atraviesan un campo eléctrico de alto voltaje (70 eV), lo que provoca la ionización.

💡Detector

Es el componente del espectrómetro de masas que detecta los iones y mide su relación masa/carga. En el video, se menciona que el detector registra la posición de colisión de los iones y su abundancia, lo que permite construir el espectro de masas.

💡Isótopos

Son átomos de un mismo elemento que tienen diferente número de neutrones y, por lo tanto, diferente masa. En el video, se explica que la presencia de isótopos, como el carbono-13, genera múltiples picos en el espectro de masas, lo que complica el análisis pero también proporciona información adicional.

Highlights

Introducción a los principios fundamentales de la espectrometría de masas.

Descripción del proceso de ionización de la muestra en la cámara del espectrómetro de masas.

El campo eléctrico de 70 electronvoltios se usa para ionizar las moléculas gaseosas.

La ionización de la molécula se representa como un catión radical, M+.

Generación de fragmentos moleculares tras la ionización y los tipos de fragmentación posibles.

Fragmentación de la molécula en iones y radicales, lo que afecta a la detección en el espectrómetro.

Las especies con carga positiva (cationes) son las más importantes para la detección.

Los iones atraviesan un campo magnético que curva su trayectoria según su masa y carga.

Explicación del pico base, el pico más abundante, en el espectro de masas.

El ion molecular es el pico más a la derecha del espectro y determina la masa molecular de la muestra.

Descripción de las señales en el espectro debidas a isótopos de carbono (C12, C13, C14).

Explicación de la fragmentación de la molécula de 2-metil-butano y su representación en el espectro.

Determinación de la masa molecular mediante el ion molecular en el espectro de masas.

Importancia del ion molecular en la determinación de la estructura molecular de una sustancia.

Comparación con métodos antiguos como el descenso crioscópico para determinar masas moleculares.

Transcripts

en este vídeo eh vamos a comentar los

principios en los que se fundamenta la

espectrometría de masas eh aquí eh

tenemos un un esquema eh de un

espectrómetro de masas que consta de una

cámara de volatilización donde se

introduce la muestra y se vaporiza

pasando a fase gas eh se introduce en en

la en la cámara ya del espectro del

espectrómetro de masas donde se va a

producir la ionización de la muestra eh

estas moléculas gaseosas pasan a través

de un campo eléctrico de alto voltaje 70

electronvoltios y los electrones

generados en el en el

cátodo van a van a atravesar la muestra

y la van a ionizar según según una

ecuación una ecuación que es la sigi

si llamamos m

a a una molécula de de la sustancia

vaporizada sobre sobre esa molécula m va

a impactar va a chocar un electrón

generado por el campo eléctrico y ese

electrón al chocar contra la molécula va

a arrancar va a arrancar un electrón de

la misma y va a generar eh un cation

radical se va a llevar un electrón de la

misma por tanto va a quedar con carga

positiva la molécula y nos va a quedar

un electrón desapareado y lo vamos a

representar por m eh más punto Eh Esto

es un cation radical eh cation

radical y además eh se generarán dos

electrones el que chocó contra la

molécula más uno que pierde la molécula

se liberan dos electrones Este es el

esquema general de lo que va a ocurrir

cuando la molécula atraviesa ese campo

eléctrico intenso

eh aparte aparte de suceder eso de

ionizar la molécula y generar lo que se

conoce como el ion molecular a esto se

le llama el ion

molecular a la molécula le puede pasar

otra cosa otra cosa Y es que

eh es posible es muy probable depende de

su estructura pero es muy probable que

estos iones moleculares se fragmenten eh

la molécula puede fragmentarse

Y cómo Cómo ocurre la fragmentación de

del I molecular Bueno pues ocurre según

eh unos esquemas que son los siguientes

ese ión molecular m más punto es decir

ese cation radical eh se va a romper se

va a romper generando un fragmento que

vamos a llamar M1 eh Y ese fragmento M1

Eh puede ser un catón en el el caso de

que sea un

cation se generará otro fragmento m

pequeña que tiene que ser un radical y

la otra opción es que

el catón radical se rompa eh generando

un catón que podemos llamar por ejemplo

mm2 Perdón un ca no un cation radical

que podemos llamar m2 y una molécula

neutra que voy a llamar m pequeña bueno

la m pequeña no tiene por qué ser la

misma arriba y abajo depende de la

fragmentación que se genere pero lo que

me interesa son las especies que tienen

carga que tienen carga positiva los

radicales y especies y especies neutras

no nos van a interesar por lo que voy a

comentar ahora Así que los dos tipos de

fragmentación que vamos a tener son la

fragmentación que genera cationes y la

fragmentación que genera eh eh cationes

radicales eh bien y eso eh todo eso va a

ocurrir aquí en esta zona del del

espectrómetro de masas a continuación eh

las moléculas eh cargadas los eh eh

iones radicales los ces radicales van a

atravesar eh unos platos eh aceleradores

que van a incrementar la energía

cinética de esas moléculas y a

continuación eh pasarán a través de un

campo magnético variable que va a curvar

su trayectoria eh curva su trayectoria

de acuerdo con la carga y la masa eh de

de estos de estas moléculas y de los

fragmentos generados eh esas eh

moléculas y esos fragmentos moleculares

van a chocar contra un detector eh eh

que va a contabilizar la posición donde

se produce la colisión y el número de

colisiones que se producen Y de esa de

esa manera de esa manera se eh de esa

forma eh vamos a obtener eh una gráfica

en la que eh eh en el eje x eh se

representan las relaciones m Pardo de Z

es decir la masa de cada fragmento

dividida por la carga vamos a considerar

que la carga de esos fragmentos es es

uno eh Son todo iones monopositivo

es decir el número de colisiones que se

producen sobre cada posición de esa

pantalla eh dependiendo de la masa y de

la carga el I radical eh va va a ser

curvado más o menos eh de manera que

dependiendo del lugar donde colisiones

se puede saber la relación más a carga

de el mismo y por el número de

colisiones se puede saber la abundancia

tenemos eh un pico llamado el pico base

que es el más abundante este pico que

aparece a 57 de m paro de Z es decir la

relación masa carga es M es 57 si la

carga es una positiva significa que

tenemos 57 unidades de masa atómica en

ese fragmento generado eh este eh pico

de máxima abundancia se llama pico base

es el pico

base pico base y tenemos eh otro otro

pico que bueno aquí en este espectro no

no se no se ve claramente ahora vamos a

ver uno ampliado eh es el el último pico

que sale en el espectro siempre que la

molécula no tenga nitrógeno es el de El

de masa el de relación masa partido de

carga par siempre que no tenga nitrógeno

o tenga un número par de nitrógenos y

ese pico que es el que sale más hacia la

derecha se conoce como el y molecular es

muy interesante porque nos va a dar la

masa de la molécula es un fragmento es

un es una señal eh

eh H que se produce a partir del del ion

molecular que no ha fragmentado por

tanto su masa es la masa de la molécula

vamos a ver aquí un espectro de masas

ampliado para una molécula que es el el

dos metil butano en el que podemos

estudiar todo esto con más eh con más

detalle

eh bien eh Bueno aparecen aparecen una

serie de de Señales formadas por por

varios picos

eh que en general se forman debido a la

presencia de isótopos el carbono pues

tiene el carbono 12 es el más abundante

pero también tenemos carbono 13 carbono

14 por tanto si los fragmentos generados

tienen un carbono 13 un carbono 14 pues

aparecerán eh señales varios picos no

debido a los isótopos pero nos vamos a

nos vamos a fijar vamos a ver esta

molécula y vamos a escribir lo que le

ocurre cuando se la somete a un campo

eléctrico intenso

y y se y pierde un electrón generando

ese ese anón ese ca

radical Bien voy voy a copiarla Aquí

vamos a copiar aquí la molécula ch3 C

ch3

h ch2 ch3 y al pasar por el campo

eléctrico

eh un electrón de ese campo eléctrico

choca contra ella Vamos a considerar que

es uno solo un solo electrón choca

contra ella y lo que hace es

arrancarle un electrón de dónde arranca

el electrón Bueno pues aquí va a ser de

uno de los enlaces eh Sigma eh arranca

un electrón de uno de los enlaces Sigma

eh No no vamos a especificar de de

cuál de momento pero esa ese anión

radical formado lo vamos a dibujar así

con una carga positiva y un punto ahí

tenemos el anión radical ha perdido un

electrón y por tanto ha quedado con

carga positiva y Se han generado dos

electrones bien este anion radical eh va

a ser Va a ser curvada su trayectoria

por el campo más magnético variable y va

a llegar al

detector y como tiene una masa muy

importante de hecho tiene la masa de la

molécula eh Y es monopositivo

eh colisionar contra una posición del

detector que nos dará la relación m paro

de Z y vemos que en el espectro es m

paro de Z Eh bueno va a ser el pico más

alto y tenemos tres señales a 71 72 y 73

pero como no tiene nitrógenos tiene que

ser su masa molecular tiene que ser par

por tanto no puede ser ni 71 ni 73 eh

tiene que ser 72 es el valor más alto

par por tanto tenemos una relación m

paro de Z de 72 si la z es 1 La carga

del ion es 1 la masa molecular es 72 por

tanto nos acaba acaba de determinarnos

este espectro de masas la masa molecular

de la molécula la masa molecular de la

misma 32 gr mol

eh A este pico eh que sale para que

tiene la máxima la máxima la mayor

relación e masa carga se le llama el ion

molecular es el ion molecular

eh recibe este nombre Porque porque es

la molécula que ha perdido un electrón y

se ha convertido en un ca radical bien

pero ahora este hoo molecular puede

sufrir fragmentaciones al pasar a través

del campo eléctrico y perder ese

electrón eh Por ejemplo eh si

consideramos que ese electrón que perdió

era un electrón de este enlace

eh carbono carbono podemos representarlo

de esta forma como una carga positiva y

un electrón es decir ese enlace Sigma

perdió un electrón y por tanto

eh ese uno de los carbonos que une ese

enlace Sigma queda cargado positivamente

y el otro que que da en forma de radical

eh esta esta especie eh fragmentar

romperá por esta posición generando un

cation y un radical una de las

fragmentaciones que habíamos comentado

eh lo más bueno una de las posibilidades

Es que genere aquí en esta posición el

cation y el radical que lo forme sobre

el

ch2 rompe y genera estos dos

fragmentos este fragmento

no eh interacciona con el campo

magnético puesto que no tiene cargas un

radical Este sí y eh el espectrómetro el

detector lo detectará y nos dará su m

partido de Z

eh este fragmento se acostumbra a a

denominarlo

eh restándole a el ion molecular que

representamos por por m eh le vamos a

restar la el fragmento perdido que es un

etilo el etilo tiene una masa molecular

de 29 por tanto este fragmento es un m

-29 porque perdió 29 unidades de masa

atómica si a 72 le restamos 29 nos da 43

por tanto tiene un m partido de Z de

43 Esta fragmentación es muy probable

porque genera un cation de Gran

estabilidad y seguro que 43 va a ser un

pico que tiene una abundancia relativa

importante de hecho es el que mayor

abundancia relativa posee conocido como

el pico base del espectro de rmn de

perdón el espectro de masas pico

base bien tenemos los dos picos

característicos el de mayor abundancia

relativa y el iom molecular como podemos

ver el iom molecular tiene una

abundancia relativa muy baja A qué se

debe Pues a que la molécula tiende a

fragmentar fácilmente tiende a

fragmentar por diferentes posiciones lo

que hace que al final eh al detector

llegu muy pocas moléculas enteras llegan

casi siempre fragmentos de dónde

proceden el esto de de señales por

ejemplo Tenemos aquí una de 29 que ya

vimos que es la masa del etilo claro es

que la molécula al fragmentar también lo

puede hacer de esta otra manera

eh rompiendo por esa misma posición eh

nos puede generar un radical sobre el

carbono secundario que tiene una

importante estabilidad y sobre el

carbono primario una carga positiva de

manera que ahora El M partido de Z que

nos va detectar el espectrómetro es de

29 29 unidades de masa atómica y nos

aparece este Pico con una relación masa

con una abundancia relativa importante y

relación mása carga de 29

eh Tenemos aquí otro más que es de 57

cómo lo podemos explicar Bueno pues el

de 57 se podría explicar si la molécula

pierde un electrón de este enlace o sea

rompe fragmenta por esta posición vamos

a volver a

dibujarla y otra fragmentación que tiene

una elevada probabilidad de ocurrir es

por esta posición que fragmente por

aquí la colisión de un electrón del

campo eléctrico contra uno de estos

electrones del

enlace Sigma lo lo arranca la molécula

fragmenta por ahí y por esa posición y

nos

genera nos va a generar dos fragmentos

que son por un lado un radical metilo y

por otro lado un ca un cti secundario

que tiene una estabilidad importante y

se formará fácilmente y que tendrá una

relación m partido de Z de El metilo

tiene tiene 15 unidades de masa atómica

tiene 12 y 3 15 por tanto es 72

e

-1 que van a ser

57 aparece apce un

pico aparece un pico en 57 es este pico

corresponde a ese catón m par z57

también lo podemos llamar

m-1 a este fragmento porque a la al ion

molecular

eh le hemos le restamos o a la molécula

le restamos 15 unidades de masa atómica

por tanto es el m

-15 y tenemos eh 57 eh unidades de masa

atómica porque perdió las 15 unidades

del del metilo esta fragmentación

también claro nos va a Conducir a eh un

metilo en forma de ca y un radical sobre

el carbono

secundario

eh que tendrá una m partido de Z de 15 y

en el espectro observaremos ese pico nm

Pardo de z15 pero con muy poca

abundancia relativa esa fragmentación es

menos probable

eh sin embargo también también se podría

dar siempre me fijo en las especies que

poseen carga son las que van a aparecer

en el

espectro

de de masas puesto que estas especies

son las que curva el campo magnético

variable y por tanto las detecta el el

detector del

espectrómetro bueno Esta es una una

pequeña idea de cómo funciona la

espectrometría de masas una técnica eh

muy importante hoy en día las masas

moleculares se obtienen mediante

espectrómetros de alta resolución

antiguamente se usaba eh se usaban las

propiedades coligativas para determinar

masas moleculares de sustancias el

descenso crioscópico en concreto y hoy

en día pues ya se hace con los

espectrofotómetros y además tiene una

importancia eh grande en la

determinación de las estructuras

moleculares eh espectros de masas

acompañados de espectros de rmn

infrarrojo eh determinan la estructura

de moléculas

orgánicas