background image

 

 

CHE 232 

MtWTF 8-8:50pm

background image

 

 

Chemical Identification

• Comparison of 

Physical 
Properties

– Boiling Point
– Melting Point
– Density
– Optical rotation
– Appearance
– Odor

• Chemical Test

Elemental Analysis

• Burn the compound 

and measure the 

amounts of CO

2

, H

2

and other components 

that are produced to 

determine the 

empirical formula.

• Used today as a test 

of purity of 

compounds that have 

already been 

identified.

background image

 

 

• Spectroscopy

 – measures the interaction of a compound 

with electromagnetic radiation of different wavelengths.

– Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy (NMR) 

measures the absorption of radio waves by C and H in a 

magnetic field.  Different kinds of C and H absorb energy of 

different wavelengths.

– Infrared (IR) Spectroscopy  measures the absorption of 

infrared (heat) radiation by organic compounds.  Different 

functional groups (C=O, -OH) absorb energy of different 

wavelengths.  

– Ultraviolet/Visible Spectroscopy (UV/Vis) measures the 

absorption of ultraviolet and visible light by  bonds in an 

organic compound.  Bonds of different types and with 

different extents of conjugation (C=C, C=O, C=C–C=C, 

aromatic) absorb energy of different wavelengths. 

background image

 

 

• Mass Spectrometry

– Doesn’t involve the absorption of any type of light.
– Used in determining the molecular weight and formula of 

a compound.

– A compound is vaporized and ionized by bombardment 

with a beam of high-energy electrons. 

– The electron beam ionizes the molecule by causing it to 

eject an electron.

– When the electron bean ionizes the molecule, the species 

formed is called a radical cation, and symbolized as 

M

+•

.

– The radical cation 

M

+•

 is called the molecular ion or 

parent ion.

– The mass of 

M

+

• 

represents the molecular weight of 

M

background image

 

 

• Because 

M

 

is unstable it decomposes to form 

fragments of radicals and cations that have a 
lower molecular weight than

 

M

+

.

• The mass spectrometer measures the mass of 

these cations.

• The mass spectrum is a plot of the amount of 

each cation (relative abundance) versus its 

mass to charge ratio (m/z, where m is mass 

and z is charge)

• Since z is almost always +1, m/z actually 

measures the mass (m) of the individual ions

background image

 

 

background image

 

 

Methane CH

4

Though most C atoms have an atomic mass of 12, 
1.1% have a mass of 13.  Thus, 

13

CH

4

 is responsible for 

the peak at m/z = 17.  This is called the M + 1 peak.

background image

 

 

• Alkyl Halides and the M+2 peak

– Most elements have one major isotope.
– However some halogens have more than one.  Iodine and 

Fluorine are isotopically pure but….

– Chlorine has two common isotopes, 

35

Cl and 

37

Cl,  which occur 

naturally in a 3:1 ratio.

– The larger peak, M, which corresponds to the compound 

containing 

35

Cl.  The smaller peak, the M+2 peak, corresponds 

to the compound containing 

37

Cl.  

– Thus, when the molecular ion peak consists of two peaks (M, 

M+2) in a 3:1 ratio, a Cl atom is present.

– Bromine also has 2 isotopes, 

79

Br and 

81

Br in a 1:1 ratio.  Thus 

when the molecular ion  consists of two peaks (M, M+2) in  a 

1:1 ratio, the compound contains a Br atom.

  

background image

 

 

Cl

Cl

-CH

3

-Cl

-CH

3

background image

 

 

Br

-Br

-CH

3

background image

 

 

Sample introduced into GC 
inlet vaporized at 250 °C , 
swept onto the column by He 
carrier gas &  separated on 
column. Sample components 
emerge from column, flowing 
into the capillary column 
interface connecting the GC 
col-umn and the MS (He 
removed). 

Gas Chromatography/Mass Spectrometry  (GC/MS)

background image

 

 

Mass 
Spectrometry

Gas Chromatography-Mass Spectrometry (GC-
MS)

To analyze a urine sample for tetrahydrocannabinol, 
(THC) the principle psychoactive component of 
marijuana, the organic compounds are extracted 
from urine, purified, concentrated and injected into 
the GC-MS.
THC appears as a GC peak, and gives a molecular 
ion at 314, its molecular weight.

background image

 

 

Forensic Mass Spectrometry

J. Yinon, Ed., Forensic Applications of Mass Spectrometry, CRC Press, 1995

Analysis of Body Fluids for Drugs of Abuse

Analysis of Hair in Drug Testing

Sports Testing

Analysis of Accelerants in Fire Debris

Analysis of Explosives

Use of Isotope Ratios

background image

 

 

pentane

background image

 

 

1-pentene

background image

 

 

1-pentyne

background image

 

 

What is the mass of the molecular ion of 
C

3

H

6

O?

3 C’s     3 x 12 = 36

6 H’s    6 x 1 = 6

1 O      1 x 16 = 
16

36 + 6 + 16 = 
58 

M = M

+•

(m/z) = 

58

background image

 

 

What molecular ions would you expect for 
C

4

H

9

F?

4 C’s       4 x 12 = 48

9 H’s     9 x 1 = 9

1 F       1 x 19 = 19

48 + 9 + 19 = 
76

A molecular ion peak at m/z 
= 76

background image

 

 

What molecular ion peak would you expect for 
C

5

H

11

Cl?

5 C’s     5 x 12 
= 60

11 H’s    11 x 1 
= 11

1 Cl       1 x 35 
= 35

60 + 11 + 35 = 
106

C

5

H

11

35

Cl (m/z) = 

106 ?

5 C’s     5 x 12 = 60

11 H’s    11 x 1 = 
11

1 Cl       1 x 37 = 
37

60 + 11 + 37 = 
108

C

5

H

11

37

Cl (m/z) = 

108

So the molecular ion peak of C

5

H

11

Cl consist of 

two peaks at 106 and 108 in a 3:1 ratio.

background image

 

 

C

N

H

2N+2

background image

 

 

C

3

H

4

C

N

H

2N+2

C

N

H

2N

C

N

H

2N-2

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

(2(3)+2-5-1)/2=1

(2(4)+2-
7+1)/2=2

O

Br

O

NH

2

background image

 

 

Suggest possible formulas for a molecular ion 
(m/z) of 72.
Step 1 – Determine the maximum 
number of C’s.

72/12 = 6 carbons maximum
C

6

 is not a reasonable formula

Subtract 1 carbon and add 
12 H’s

C

5

H

12

Step 2 – Calculate Degrees of 
Unsaturation

(2n+2-#H’s)/2

(2(5) + 2 – 12)/2 = 
0

Step 3 – Incorporate O into the formula (-CH

4

 

when adding O)

C

4

H

8

O

O

(2(4) + 2 – 8)/2 
= 1

O

background image

 

 

Add another O 
atom

C

3

H

4

O

2

O

O

O

O

(2(3) + 2 – 4)/2 
= 2

Adding O adds one degree of 
unsaturation.

Suggest possible formulas for a molecular ion 
(m/z) of 105.

Step 1 – If the mass of the molecular ion is 
odd it contains at least one N.

N = 14 
amu

105 – 14 = 
91

Step 2 – Determine max # C’s

91/12 = 7.5

C

7

NH?

background image

 

 

Step 3 – Add enough H’s to make up the rest of the 
mass.

C

7

NH?

7 x 12 = 
84

1 x 14 = 
14 

105 – (84 + 14) = 
7

7 H’s gives C

7

NH

7

.

(2(7.5) + 2 – 7)/2 
= 5

HN

Step 4 – Add an O atom.

C

7

NH

 C

6

NOH

3

(2(6.5) + 2 – 3)/2 
= 6

N

O

background image

 

 

Suggest a structure for a molecular ion 
peak that has 2 peaks 144 and 146 in a 
1:1 ratio.

Step 1 – Since we have an M and M + 2 
peak as the molecular ion, we know 
that there is a halogen.  

Also since they occur in a 1: 1 ration 
we know it’s Br.

144 – 79 = 
65

146 – 81 = 
65

Step 2 – Determine max # 
C’s

65/12 = 5 
Carbons

Step 3 – Add enough H’s to make up the rest of 
the mass.

5 x 12 = 
60

144 – (60 + 79) = 5 
H’s

C

5

BrH

5

(2(5) + 2 – 6)/2 = 3

Br

background image

 

 

C

6

H

6

m/z = 78

b.p. = 80.1C

C

7

H

8

m/z = 92

b.p. = 
110.6C

C

8

H

10

m/z = 106

b.p. = 
138.3C

Since the sample consists of three 
components, the GC spectrum will have 3 
peaks.  Their order will be benzene, toluene 
and p-xylene in order of increasing boiling 
point.

And the mass spectra of these 
compounds will have molecular ion 
peaks corresponding to their 
molecular weights

background image

 

 

Benzene

background image

 

 

Toluene

background image

 

 

p-xylene

background image

 

 

Electromagnetic spectrum

Infrared region is 2.5 – 25 m

background image

 

 

Absorption of infrared light (heat) by a compound.  
Different functional groups absorb at different 
wavelengths.

.

Absorptions are recorded in 
wavenumber =  1/

Infrared Spectroscopy

Using this scale, the IR region is 4000-
400 cm

-1

.

Chemical bonds are not static, they have 
different vibrational modes, such as bending 
and stretching.

background image

 

 

Different kinds of bonds vibrate at different 
frequencies, therefore they absorb different 
wavelengths of radiation.

IR spectroscopy distinguishes between the 
different types of bonds, thus allowing the 
identification of the functional groups present.

IR spectra are a plot of wavelength or 
wavenumber (x axis) versus 
transmittance (y axis).  Transmittance is 
a measure of the light that isn’t absorbed 
by the sample.   

background image

 

 

There are two sections of the IR spectra, the 
functional group region (greater than 1500) and 
the fingerprint region (less than 1500).  We will be 
concerned with the functional group region.. 

Bond strength and the wavelength of 
absorption are proportional.  Thus, the 
stronger the bond the higher the wavelength 
of absorption.

4000-2500

2500-2000

2000-1500

1500-400

Bonds to H

C-H, N-H, O-H

Triple Bonds

Double 
Bonds

Single Bonds

CC, CN

C=C, C=O, 
C=N

CC, CO, CN, CX

background image

 

 

O-H stretch appears at 3200-3600, C-H at 3000.

-OH

 -CH

background image

 

 

N-H stretch appears at 3200-3500, C-H at 
3000.

-NH

 -CH

background image

 

 

CC stretch appears at 2250, C-H at 3000.

 -CH

 - CC 

background image

 

 

CN stretch appears at 2250, C-H at 3000.

- CN 

 -CH

background image

 

 

C=O stretch appears at 1650-1800, C-H 
at 3000.

- C=O 

 -CH

background image

 

 

C=C stretch appears at 1650, C-H at 3000.

- C=C 

 -CH

background image

 

 

Which of these two isomers, cyclopentane or 1-
pentene, is this the IR spectra of?

1650 cm

-1

3000 
cm

-1

background image

 

 

background image

 

 

What IR peaks would you expect for the two 
molecules with the formula C

2

H

6

O?

OH

O

Ethan
ol

Dimethyl 
ether

-OH   

3200 - 3600 

cm

-1

 

-CH   

3000 cm

-1

-CH   

3000 cm

-1

background image

 

 

IR spectra of ethanol.  The spectra of dimethyl 
ether would look similar minus the large –OH 
stretch.

3200 - 3600 
cm

-1

3000 
cm

-1

background image

 

 

O

Which of the three compounds below 
matches the IR spectra?

O

OH

1650 - 
1800 
cm

-1

3000 
cm

-1

background image

 

 

Using the mass and IR spectra, determine the 
identity of the compound containing only C, 
H and O?

100

58

background image

 

 

Determine the # of C’s.

100/12 = 8 C’s           8 x 12 = 96     
100 – 96 = 4

So   C

8

H

4

We know there is at least one oxygen so 
subtract a –CH

4

 group.

C

7

O      DOUS=8  also not a likely 

formula

So get rid of 1 C and add 12 H’s

C

6

H

12

O  DOUS=1   looks much 

better

Now add one more O for more 
possibilities.

C

5

H

8

O

2    

DOUS=2

DOUS
=7

O

background image

 

 

C

6

H

12

O

O

O

C

5

H

8

O

2

O

O

O

O

background image

 

 

1650-1800 
cm

-1

1650 cm

-1

O

O

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

OH

OH

background image

 

 

7

7

4

4

7

2

3

background image

 

 

4

3

4

2

3

10

5

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 

background image

 

 


Document Outline