Structure Elucidation Mass Spectroscopy (MS)

Presentasi berjudul: "Structure Elucidation Mass Spectroscopy (MS)"— Transcript presentasi:

1 Structure Elucidation Mass Spectroscopy (MS)
Dwi koko P. M. Sc., Apt. Fakultas Farmasi Universitas Jember

2 Metode Spektroskopi Massa (elusidasi struktur)
Metode analisis kimia kualitatif untuk menetapkan struktur kimia molekul organik, berdasarkan pengukuran dan penyidikan m/z, yaitu massa-ion (m) relatif terhadap (jumlah) muatan-ion (z) yang berasal dari molekul organik sampel.

3 SKEMA BAGAN SPEKTROMETER MASSA
Kamar Pengion Ionisasi terjadi dalam waktu 10-6 dtk Injeksi sampel Tabung-silinder Vakum Melengkung Terjadi seleksi jenis ion r Susunan Kolektor-ion Sampel diinjeksikan ke amar Pengion (Ionizing chamber). Dalam Kamar pengion ini, mengalami proses ionisasi dan fragmentasi menjadi ion molekul dan ion-ion fragmen. Energi ionisasi dan fragmentasi pada spektroskopi-massa pola Electron Impact (EI) adalah sebesar 70 eV. ion molekul dan ion-ion fragmen yang terbentuk itu, masuk ke Tabung-silinder vakum melengkung, yang pada paruh akhir dari tabung tersebut dililit oleh Medan Magnet. Ion molekul dan ion-ion fragmen akan ‘melayang’ di dalam tabung, dimana ion-ion bermuatan negatif (m-) dan radikal-negatif (m -.) serta fragment radikal netral (R.) dan fragmen molekul netral (m0) akan diserap oleh dinding tabung itu. Ion-ion yang bermuatan positif (+) dan radikal positif (+.) tetap ‘melayang’, dan kemudian oleh pengaruh medan magnet ion-ion tsb didefleksikan (dibelokkan) secara berurutan menuju kolektor ion. Ion-ion yang mempunyai massa besar akan masuk lebih dahulu, dan menyentuh (imping) detektor dalam kolektor ion itu, disusul secara berurutan dengan ion-ion dengan massa lebih kecil. Detektor kemudian akan mengolah data, dan keluar dalam bentuk spektrum massa. Pada spektrum ini akan terlihat harga m/z, yaitu massa ion (m) relatif terhadap (jumlah) muatan (z), dari sampel yang diperiksa. Karena harga z selalu 1, maka harga m/z praktis akan sama dengan harga m. r Medan Magnet Ke Detektor r : jari-jari lintasan terbang ion

4 Prinsip Analisis Spektroskopi Massa
Fragmentasi ion molekul (M+.) dapat menghasilkan ion radikal positif (m+.), ion positif (m+), radikal-netral (R.), molekul-netral (m0); bahkan juga ion radikal-negatif (m -.) atau ion negatif (m-)

5 Prinsip Analisis Spektroskopi Massa FRAGMENTASI DALAM KAMAR PENGION
m+ m1+ m2+ + m20 M M+. m+. m1+ m2+ Sampel Ion Molekul parent-ion m1+. m20 m+ m1+. m- m1+ radikal netral Daughter-ion Ion positif EI-MS 70 eV mol. netral Ion radikal-positif mol. netral Ion negatif m R. Ion-ion Fragment daughter ions m-. Ion radikal-negatif

6 SPEKTRUM MASSA m/z (MASS UNIT) Base Peak (100%) Ion-ion Fragment
(% thdp Base Peak) Abundance (%) 75% Ion Molekul (M+.) HARGA ABUNDACE MAKIN BESAR 50% 40% 35% 20% m/z (MASS UNIT) HARGA MASS UNIT MAKIN BESAR MENGINDIKASIKAN BM SAMPLE

7 ISTILAH dalam membaca SPEKTRUM-MASSA
Ion Molekul (M+.) Merupakan ion radikal-positif yang masih utuh (intact) struktur kimianya, sehingga identik dengan struktur kimia sampel. Dengan demikian massa sampel sama dengan massa ion molekul. Perbedaannya dengan sampel adalah bahwa M+. kehilangan satu elektron dibanding sampel. Ion Fragmen Merupakan ion radikal-positif (m+.) atau ion positif (m+), yang terjadi sebagai hasil fragmentasi ion molekul atau ion-ion fragmen. Massa ion- ion fragmen adalah lebih kecil dibanding ion molekul. Base Peak (Puncak dasar) merupakan puncak massa ion yang mempunyai intensitas kelimpahan (abundance) tertinggi. Intensitas base peak ini ditetapkan mempunyai harga 100%. Intensitas puncak-puncak massa ion yang lain dihitung relatif terhadap base peak. Base peak dapat terbentuk baik dari ion molekul maupun ion fragmen.

8 ISTILAH dalam membaca SPEKTRUM-MASSA
m/z (satuan : mu) merupakan harga perbandingan massa-ion (m) terhadap (jumlah) muatan- ion (z), baik ion molekul maupun ion fragmen. m/z menunjukkan massa atau BM dari ion. Bila Ion itu merupakan molecular ion, maka harga m/z- nya akan sama dengan BM sampel. Abundance (Kelimpahan) adalah intensitas puncak massa ion, - baik ion molekul maupun ion fragmen-, yang dinyatakan dalam %. Tinggi rendahnya persentase abundance pada umumnya berkaitan dengan stabilitas struktur kimia ion yang terbentuk. Makin stabil ion tersebut, makin tinggi persentase limpahan dan sebaliknya.

9 Pola Spektrometer Massa berdasarkan Cara Ionisasinya
No Cara Ionisasi Sampel Pola Spekt. Massa Sifat Sampel Spektrum 1 Electron Bombardment EI-MS Volatile Banyak Fragmen 2 Chemical Ionization CI-MS Ion Mol jelas 3 Field Desorption FDI-MS Non-volatile 4 LASER Desorption LD-MS 5 Fast Atom Bambardment FAB-MS 6 Electrospray Ionization ESI-MS 7 Matrix-LASER Desorption MALDI-MS macromolecule

10 Penyidikan Struktur Ion Fragment dan Reaksi Fragmentasi
Reaksi Fragmentasi paling banyak terjadi dalam Spektrometer dengan pola ionisasi Electron Impact (EI). Karena pada EI-MS energi ionisasi yang digunakan setara dengan kekuatan 70eV. Walaupun demikian pada pola ionisasi yang lain (spt: CI, FD, LD, FAB, ESI, MALDI) terdapat pula reaksi fragmentasi, hanya ion-ion fragment yg terjadi tidak sebanyak seperti pada EI-MS. Penyidikan Struktur Ion-ion Fragment serta reaksi Fragmentasinya sangat penting dan perlu, untuk dapat merekonstruksi kembali struktur kimia Sampel yang diperiksa.

11 Penyidikan Struktur Ion Fragment dan Reaksi Fragmentasi
M M m R. m m0 Reaksi Fragmentasi Umum (dalam Kamar pengion) .. EI-MS/70eV ionisasi fragmentasi sampel Ion molekul Ion fragment (+) radikal - e-1 ion fragment (+.) molekul netral

12 Penyidikan Struktur Ion Fragment dan Reaksi Fragmentasi

13 Penyidikan Struktur Ion Fragment dan Reaksi Fragmentasi
Jenis Fragment dapat berupa: Molekul Elektron Genap Netral (Even Electron neutral, EE0) Ion Elektron Genap Positif (Even Electron positive, EE+) Ion Elektron Ganjil Radikal-positif (Odd Electron radical-positive, OE+. ) Radikal Netral (radical, neutral, R.) Hanya EE+ dan OE+. yang muncul sebagai puncak-puncak massa pada Spektrum-massa, sedang EE0 dan R. tidak muncul, mereka diserap oleh dinding-tabung.

14 Molekul Etanol: CH3-CH2-OH
Jenis Fragment Molekul Elektron Genap Netral (Even Electron neutral, EE0) Yaitu molekul netral, yang selalu mempunyai jumlah elektron yang genap (even). Molekul ini diberi simbol: EE0 artinya even electron neutral. EE0 Molekul Etanol: CH3-CH2-OH Molekul netral, jumlah elektronnya selalu genap. Jumlah es : 16 (biru), jumlah en : 4 (merah). Total: 20 (genap)

15 Jenis Fragment 2. Ion Elektron Genap Positif (Even Electron positive, EE+) Yaitu ion bermuatan positif, yang mempunyai jumlah elektron genap (even). Ion ini diberi simbol: EE+ artinya even electron postive. EE+ Ion Asetilium: CH3-CO+ Ion bermuatan positif yang jumlah elektronnya genap. Jumlah es : 10 (biru), jumlah ep : 4 (merah) dan jumlah en: 2 (hijau). Total: 16 (genap)

16 Ion Radikal-positif Etanol: CH3-CH2-O-H
Jenis Fragment 3. Ion Elektron Ganjil Radikal-Positif (Odd Electron radical-positive OE+.) Yaitu ion bermuatan radikal-positif, yang mempunyai jumlah elektron ganjil (odd). Ion ini diberi simbol: OE+. artinya odd electron radical-postive. OE+. +. Ion Radikal-positif Etanol: CH3-CH2-O-H Ion bermuatan radikal-positif, jumlah elektron-nya ganjil. Jumlah es : 16 (biru), jumlah en : 3 (merah). Total: 19 (ganjil)

17 Radikal Netral Etil: CH3-CH2.
Jenis Fragment 4. Radikal Netral (Radical neutral R.) Yaitu fragment radikal netral, yang mempunyai jumlah elektron ganjil (odd). fragment ini diberi simbol: R. artinya radical neutral. R. Radikal Netral Etil: CH3-CH2. Suatu radikal netral, jumlah elektron-nya ganjil. Jumlah es : 12 (biru), dengan 1 elektron radikal (hitam). Total: 13 (ganjil)

18 KAIDAH REAKSI FRAGMENTASI UNTUK OE+. DAN EE+
Kaidah untuk Ion OE+. A. Jika ion OE+. mengalami pemutusan satu ikatan tunggal, maka akan terfragmentasi menjadi ion EE+ dan radikal netral R. B. Jika ion OE+. mengalami pemutusan dua ikatan tunggal, maka akan terfragmentasi menjadi ion OE+. dan molekul netral EE0 C. Jika ion OE+. mengalami pemutusan tiga ikatan tunggal, maka akan terfragmentasi menjadi ion EE+ , molekul netral EE0, dan radikal netral R. II. Kaidah untuk Ion EE+ Kaidah Karni-Mandelbaum menyatakan: Fragmentasi ion EE+ cenderung untuk selalu membentuk ion EE+ dan molekul netral EE0

19 KAIDAH REAKSI FRAGMENTASI UNTUK OE+. DAN EE+
Kaidah untuk Ion OE+. A. Jika ion OE+. mengalami pemutusan satu ikatan tunggal, maka akan terfragmentasi menjadi ion EE+ dan radikal netral R. pemutusan 1 ikatan tunggal OE EE R.

20 KAIDAH REAKSI FRAGMENTASI UNTUK OE+. DAN EE+
Kaidah untuk Ion OE+. B. Jika ion OE+. mengalami pemutusan dua ikatan tunggal, maka akan terfragmentasi menjadi ion OE+. dan molekul netral EE0 pemutusan 2 ikatan tunggal OE OE EE0 Alternatif (i) Pada alternatif (i), muatan ion tetap berada pada atom Oksigen. Fenomena ini disebut sebagai Retensi Muatan (Charge Retention)

21 KAIDAH REAKSI FRAGMENTASI UNTUK OE+. DAN EE+
Alternatif (ii) Pada alternatif (ii), muatan Ion berpindah ke ikatan rangkap Etilena, fenomena ini disebut dengan Migrasi Muatan (Charge Migration) Migrasi muatan memerlukan energi yg lebih besar dibanding Retensi muatan, oleh karena itu %-ase abundancy Ion enol asetaldehida lebih tinggi dibanding Ion etilena.

22 KAIDAH REAKSI FRAGMENTASI UNTUK OE+. DAN EE+
Kaidah untuk Ion OE+. C. Jika ion OE+. mengalami pemutusan tiga ikatan tunggal, maka akan terfragmentasi menjadi ion EE+ , molekul netral EE0, dan radikal netral R. pemutusan 3 ikatan tunggal OE EE EE R. Pemutusan 3 ikatan tunggal

23 KAIDAH REAKSI FRAGMENTASI UNTUK OE+. DAN EE+
II. Kaidah untuk Ion EE+ Kaidah Karni-Mandelbaum menyatakan: Fragmentasi ion EE+ cenderung untuk selalu membentuk ion EE+ dan molekul netral EE0 EE EE EE0

24 KAIDAH REAKSI FRAGMENTASI UNTUK OE+. DAN EE+
II. Kaidah untuk Ion EE+ Pada reaksi fragmentasi, ion EE+ sulit untuk membentuk OE+. , karena EE+ harus mampu memisahkan pasangan lektron untuk membentuk radikal, R., dan ini sangat tidak favourable.

25 KAIDAH NITROGEN (Nitrogen Rule)
Kaidah Nitrogen merupakan kaidah/aturan yang berlaku bagi molekul netral dan ion-ion, baik OE+. maupun EE+ , yang mengandung atom nitrogen. Kaidah Nitrogen menyatakan: (a) Jika suatu molekul netral mengandung jumlah atom nitrogen yang genap, maka bobot molekulnya mempunyai harga genap. (b) Jika suatu molekul netral mengandung jumlah atom nitrogen yang ganjil, maka bobot molekulnya mempunyai harga ganjil.

26 KAIDAH NITROGEN (Nitrogen Rule)
Kaidah Nitrogen (lanjutan): (a) Jika suatu Ion elektron ganjil radikal positif (OE+.) mengandung jumlah atom nitrogen genap, maka ion tersebut akan muncul pada harga m/z yang genap. (b) Jika suatu Ion elektron ganjil radikal positif (OE+.) mengandung jumlah atom nitrogen ganjil, maka ion tersebut akan muncul pada harga m/z yang ganjil.

27 KAIDAH NITROGEN (Nitrogen Rule)
Kaidah Nitrogen menyatakan: (lanjutan) (a) Jika suatu Ion elektron genap positif (EE+) mengandung jumlah atom nitrogen genap, maka ion tersebut akan muncul pada harga m/z yang ganjil. (b) Jika suatu Ion elektron genap positif (EE+) mengandung jumlah atom nitrogen ganjil, maka ion tersebut akan muncul pada harga m/z yang genap.

28 KAIDAH NITROGEN (Nitrogen Rule)
Molekul/Ion Harga m/z I EEo [SN genap] EEo [SN ganjil] BM genap BM ganjil II OE+. [SN genap] OE+. [SN ganjil] m/z genap m/z ganjil III EE+ [SN genap] EE+ [SN ganjil] m/z genap

29 MEKANISME REAKSI FRAGMENTASI
Jenis Mekanisme Fragmentasi: Reaksi Dissosiasi Ikatan Sigma (s) Reaksi Pemutusan-a (a-Cleavage) Reaksi Pemutusan Induktif (i-Cleavage) Reaksi Dekomposisi Struktur Siklis Reaksi Penataan-Ulang dari tempat radikal Reaksi Penataan-Ulang dari tempat bermuatan

30 Mass spectrum of an unknown compound
m/z Intensity (as percent of base peak) (as percent of M+.) 27 59.0 72 M 28 15.0 73 M 29 54.0 74 M 39 23.0 Recalculated to base on M+. 41 60.0 42 12.0 43 79.0 44 100.0 (base) M+. 3.3 0.2

31 Panduan untuk menentukan rumus molekul
Apakah M+. Ganjil atau genap? Berdasarkan aturan nitrogen, bila genap, senyawa pasti memiliki jumlah atom N yang genap (zero is an even number). Ketersediaan dari puncak M mengindikasikan jumlah atom karbon (C) Number of C atoms = relative abundance of (M+. + 1) / 1.1 For our unknown, number of C atoms = 4.5 / 1.1 = 4. (This formula works because 13C is the most important contributor to the M peak and the approximate natural abundance of 13C is 1.1%). 3. Ketersediaan dari puncak M mengindikasikan adanya (tidak adanya) dari S (4.4%); Cl (33%); or Br (98%). For our unknown, M = 0.2%; thus we can assume that S, Cl, and Br are absent. 4. The molecular formula can now be established by determining the number of hydrogen atoms and adding the appropriate number of oxygen atoms, if necessary. For our unknown, the M+. peak at m/z 72 gives us the molecular weight. It also tells us (since it is even) that nitrogen is absent because C4N2 has a molecular weight (76) greater than that of our compound. For a molecule composed of C and H only: H = 72 – (4 x 12) = 24, but C4H24 is impossible. For a molecule composed of C, H and one O: H = 72 – (4 x 12) – 16 = 8 and thus our unknown has the molecular formula C4H8O.

32 Rule of 13

33 Contoh : The small peak at m/z 18 comes from the small amount of 15N1H3 because of the small natural abundance of 15N compared to 14N This peak is called an M+1 peak

34 Determination of Molecular Formulas and Molecular Weights
The Molecular Ion and Isotopic Peaks Adanya isotop lebih berat satu atau dua unit massa di atas isotop umum menghasilkan puncak kecil pada M+.+1 and M+.+2 Intensitas puncak M+.+1 and M+.+2 dapat digunakan untuk mengonfirmasi rumus molekul Example: In the spectrum of methane one expects an M+.+1 peak of 1.17% based on a 1.11% natural abundance of 13C and a 0.016% natural abundance of 2H

35 Contoh fragmentasi yang terjadi berdasarkan fragmen ion yang terbentuk

36

37

38

39 Contoh lain : cleavage

40 Fragmentation Fragmentation by Cleavage at a Single Bond
Jalur fragmentasi dapat diprediksi dan dapat digunakan untuk menentukan struktur molekul Fragmentation by Cleavage at a Single Bond Pemutusan kation radikal memberikan radikal dan kation, namun hanya kation yang dapat dideteksi MS Pada fragmentasi umumnya membentuk karbokation yang paling stabil Pada Spektrum Propana puncak pada 29 merupakan base peak (most abundant) 100% dan peak at 15 is 5.6%

41 Example: The spectrum of hexane

42 Example: spektrum neopentana
Fragmentasi neopentana menunjukkan kecenderungan pemutusan terjadi pada cabang yang memberikan karbokation yang relative stabil Formasi karbokation 3o lebih disukai  ion molekuler hampir tidak terdeteksi

43 Carbocations terstabilkan oleh resonansi
Fragmen Alkena memberikan resonansi yang terstabilkan oleh karbokation allylic Ikatan C-C bonds yang bersebelahan dengan atom yang memiliki PEB, putus menghasilkan resonansi yang terstabilkan karbokation Z = N, O, or S R may be H

44 Ikatan C-C yang bersebelahan dengan gugus karbonil menghasilkan ion acylium yang terstabilkan resonansi

45 Benzena tersubstitusi alkil seringkali kehilangan 1 hydrogen atau gugus alkil menghasilkan ion tropilium yang relative stabil Benzena tersubstitusi atom atau gugus lainnya kehilangan sustituen tsb menghasilkan kation fenil

46 Fragmentation by Cleavage of 2 Bonds
Produknya adalah kation radikal baru dan molekul netral Alcohols selalu menunjukkan puncak M+.-18 dari kehilangan air Y may be R, H, OH, OR etc.