spectro 2011

COURS (élément 2, matière 1) :

IDENTIFICATION DES COMPOSES ORGANIQUES

MODULE : COMPLEMENT DE METHODES D’ANALYSE FILIERE : SMC, SEMESTRE 5 RESPONSABLE : Pr. M. RAMDANI

SPECTROMETRIE DE MASSE

CHAPITRE I

I - INTRODUCTION

Elle permet : Détermination de la masse molaire Analyses structurales Explication des mécanismes de ruptures de

liaisons… Analyses quantitatives : Limites de détection < nanogramme (parfois < picogramme)

Cette technique est applicable pour des composés solides, liquides et gazeux.

APPLICATIONS PRATIQUES

Biologie : Détermination de Masses molaires > 100000 (à 1 unité près) pour des macromolécules comme les proteïnes

Etudes de pollution de l’environnement Détection de dopants chez les sportifs

AVANTAGES DE LA TECHNIQUE Sensibilité

Sélectivité

Rapidité

Structure d'un spectromètre de masse

source : lieu

d'ionisation des

molécules et

fragmentation

des ions analyseur : sépare les ions en fonction de m/z

collecteur d’ions ou détecteur :

détecte ions sortants et les

exprime en fonction de leur

abondance relative

Un vide poussé est fait dans chacun de ces éléments.

III - APPAREILLAGE

III.3 - Analyseur ou séparateur d’ions

Ions positifs sont extraits de la source et focalisés vers le secteur analyseur de masse (ou séparateur d’ions).

Plusieurs types de séparateurs d’ions : - Séparateur à champ magnétique - Séparateur par champs électrique et magnétique - Séparateur par des champs électriques (Quadripôle) - Séparateur par des champs électriques (Trappe d’ions) - Séparateur par la vitesse des ions (Temps de vol)

Trie des ions suivant m/z (en général, z = 1)

Cas d’un séparateur à champ magnétique

Ion de masse m et de charge z accéléré dans la source sous une ddp = V

A la sortie de la source, l’ion a une vitesse v et une énergie :

Ecinétique = ½ mv2 = zV

(énergie cinétique = énergie potentielle)

F = zvH = mv2/r v = zHr/m

Ions de charge z et de vitesse v H

subissent une force d’origine magnétique, s’équilibrant avec la force centrifuge :

Dans un champ magnétique H :

Application de la Loi de Laplace

V : tension d'accélération H : champ magnétique

Or, ½mv2 = zV

r : rayon de la trajectoire de l’ion = rayon de courbure de l'électroaimant

V2

rHz/m

22F = zvH = mv2/r v = zHr/m

Détection de tous les ions produits (tous les m/z) : par variation de H ou de V

En général, balayage du champ magnétique

V2

rHz/m

22

II - PRINCIPE

impact électronique

Analyse de fragments moléculaires

obtenus par ionisation

ionisation chimique

L'ionisation électronique (EI)

III.2 - La source d’ions

Ionisation des molécules se fait dans la source.

Source : chambre en acier inoxydable, ss vide ≈ 6.10-7 mmHg

Electrons dans la source sont émis par un filament en rhénium, accélérés ss tension de 70 Volts

Plusieurs types selon le mode d'ionisation

L'impact électronique Le plus répandu :

Collisions entre molécules et électrons se font à 70 eV : très énergétiques

Ionisation d’une molécule M

ion moléculaire

positif

Ion moléculaire M+. : ion radical

Molécule neutre, électrons appariés

Par ionisation

Formation d’un radical

M + e- M+. + 2e-

Excès d'énergie : sous forme d’énergie interne

Energie d’ionisation des molécules = 6-12 eV Energie des électrons accélérés = 70 eV

ions fils ou fragments

Fragmentation de l’ion moléculaire ou ion parent

L'ionisation chimique (CI)

Ionisation chimique

Si énergie interne des ions fils suffisamment élevé D’autres fragmentations etc….

Durée de vie des ions très brève ( μs) Nécessité de les faire sortir de la source au plus vite

Molécules ou fragments neutres formés au cours des fragmentations éliminés par un système de pompage

III.5 - Le système de traitement des données

Les spectromètres de masse sont pilotés par un ordinateur.

Opérations :

a - Réglage et calibrage du spectromètre

b - Acquisition et stockage des données

c - Traitement des données et recherche

dans les banques de spectres

IV - SPECTRE DE MASSE

A la sortie du détecteur, on collecte les ions :

pic à une valeur m/z sur le spectre de masse

(r : rayon de courbure de l'électroaimant)

- chargés positivement

- vérifiant la condition V2

rHz/m

22

SPECTRE DE MASSE = Diagramme

ordonnée : intensité abondance relative des ions

abscisse : m/z (en impact électronique, z presque toujours égale à 1)

Intensité du pic le plus intense du spectre : fixée arbitrairement à 100

b - Le pic moléculaire ou pic parent

Les différents types de pics

a - Le pic de base

Pic le plus intense du spectre Ion le plus abondant

m/z = masse moléculaire

c - Les pics fragments Exemple : Ammoniac

Pic moléculaire m/z = 17 Pics m/z = 14, 15 et 16 : pics fragments Pic de base m/z = 17 ion moléculaire NH3

+ . stable

Hexane

Pic moléculaire ≠ pic de base Ion moléculaire se fragmente facilement

d - Le pic d’ion métastable

Conditions normales : Ion moléculaire (ou fragment) formé dans la source est suffisamment stable pour atteindre le détecteur.

Si durée de vie < qq μs

Ion métastable : se décompose en partie sur le trajet

pic sur la spectre

ion métastable

m* ≠ masse réelle

m* = m22/m1

Si la décomposition de AB+. (de masse m1) a lieu entre source et analyseur

Ion métastable : se décompose en partie sur le trajet

AB+. A+ + B.

Ion A+ (masse m2) donne une trace sur le spectre à une masse apparente m* :

- 2 pics (normaux) à m1 et m2

Une transition métastable 3 pics

- 1 pic métastable à m* :

Faible, de forme diffuse, dont la position non nécessairement une valeur entière

V - ANALYSE SPECTRALE

Exploitation des ions fragments : détermination de la structure de la molécule

Selon deux étapes

Exploitation de l’ion moléculaire : masse moléculaire, parité, isotopes, masse exacte...

V.1 - Masse moléculaire

Masse de l’ion moléculaire = somme des masses des isotopes les plus abondants (12C,1H,16O,..) des éléments présents dans la molécule.

- Benzamide C7H7NO Ion moléculaire M+. m/z = 121

7 x 12C = 84

7 x 1H = 7

1 x 14N = 14

1 x 16O = 16

M = 121

La spectrométrie de masse permet de déterminer la

masse moléculaire d’une substance inconnue.

- Méthane 12C1H4: ion moléculaire à m/z = 16

V.2 - Parité de l’ion moléculaire

REGLE DE LA PARITE

Si le pic parent a une masse impaire

La molécule contient: nombre impair d’éléments trivalents (N, P…)

CxHyOzNw (w =1,3,5…)

Exemple : Benzamide C7H7NO m/z = 121 Nombre d’atomes d’azote : 1 (impair).

V.3 - Amas isotopique Abondances naturelles relatives des isotopes des éléments

courants calculées / 100 (isotope majoritaire)

Exemple : CH4

13C1H4 m/z = 17 pic M + 1 12C2H1H3 m/z = 17 pic M + 1 13C2H1H3 m/z = 18 pic M + 2 …….

Intensités relatives des pics de l’amas isotopique selon abondance naturelle des

différents isotopes de l’élément

Isotopes de faible abondance-Cas du carbone

Ces différents pics = Amas isotopique

12C2H1H3: Abondance isotopique du 2H = 0,016%

* 13C1H4 : Abondance isotopique du carbone 13 = 1,1% intensité du pic M+1 ≈ 1,1% de celle du pic M (12C )

Pic M+1 :

RELATION: (a+b)n

a : abondance relative de l’isotope le plus léger b : abondance relative de l’isotope le plus lourd prise égale à l’unité n : nombre d’atomes de l’élément considéré

Nombre et intensités relatives des pics de l’amas isotopique

Isotopes d’abondance considérable

Exemple 1 : CH3Br

79Br: 100% 81Br: 98% a=1 b=1

(a+b)1 = a + b 1 1

M M+2

Amas isotopique : 2 pics M et M+2 d’intensité relative 1:1

Isotope lourd (+2) est abondant

Si la molécule contient n halogènes, l’intensité des pics de l’amas isotopique est donnée par la relation (a+b)n.

Cas du chlore et du brome

2 pics : 156 et 158 intensités presque égales car abondance naturelle relative des isotopes presque égales : 79Br (100%) et 81Br (98%)

M (m/z = 156) M+2 (m/z = 158)

Exemple 2 : CH2Cl2 M = 84

35Cl : 100% 37Cl : 32,5% a = 3 b = 1 (a+b)2 = a2 + 2ab + b2 9 6 1 M M+2 M+4

3 pics: M, M+2 et M+4

intensités relatives 9:6:1

84 – 49= 35 (35Cl) 86 – 51= 35 (35Cl)

Composés avec à la fois n atomes Cl et m atomes Br

Relation (a+b)n(c+d)m

V.4 - Les fragmentations

- masse moléculaire - formule brute - mesure des rapports isotopiques d’un élément - structure moléculaire

Analyse d'un spectre de masse

En effet, les modes de fragmentation dépendent des

groupes fonctionnels de la molécule

V.4.1 - Règles de base

Les fragmentations avec réarrangement sont favorisées par l’aptitude de certaines molécules ionisées à donner un état transitoire à six centres.

3 facteurs favorisent le processus de fragmentation :

Les liaisons faibles se coupent plus facilement.

Les fragments stables se forment préférentiellement.

En général, charge non localisée utilistion de crochets [ ]

1ère étape

Ionisation d’une molécule M = expulsion d’un électron d’une liaison ou d’un doublet libre :

Hétéroatomes ionisation préférentielle sur l’un d’eux charge localisée sur l’hétéroatome

M + 1e- M+. + 2e-

Ion radical formé généralement fragmentation 2ème étape

Alcools, éthers et alcanes linéaires ou à chaînes ramifiées : plus grande tendance à la fragmentation pic moléculaire faible

Cycles aromatiques, autres systèmes π conjugués et cycloalcanes :

doubles liaisons, cycle et surtout cycle aromatique stabilisent l’ion moléculaire

probabilité + grande de l’apparition du pic parent

V.4.2 - Modes de fragmentation

Probabilité de rupture d’une liaison est fonction de l’énergie de cette liaison et de la stabilité des ions formés

Ruptures des liaisons sont : - simples - en α - avec réarrangement …

Rupture simple = rupture d’une liaison σ

V.4.2.1 - Ruptures simples

A partir d’un ion radical, une rupture simple donne ion + radical

Exemple : propane

Formation d’un cation plus stable pic à m/z = 29 plus intense que celui à m/z = 15

Fragmentation donnant m/z = 29 préférentielle

clivage de deux façons

Présence d’un hétéroatome N, O, S, X :

« localisation » de la charge

V.4.2.2 - Ruptures

Le processus de fragmentation dépend de cette localisation de charge.

a - Liaison carbone-carbone adjacente à un groupe carbonyle

Rupture facile: Formation d’un ion acylium stabilisé par résonance

Généralement

Molécule R-CO-R’ (cétone, acide, ester…) :

4 ions fragments

RCO+ R’CO+ R+ R’+ Fragments R+ et R’+

minoritaires

Exemple

fragments majoritaires : ruptures radicalaires en α du carbonyle

b - Liaisons carbone-carbone adjacentes à un hétéroatome

Rupture facile : cation résultant stabilisé par résonance

Exemple

Pic de base : m/z = 72

perte de CH3 à partir de l’ion moléculaire

V.4.2.3 - Ruptures avec réarrangement

ORIGINE : Recombinaison de certains ions fragments

Fragmentations avec réarrangement favorisées par Etat transitoire à 6 centres

Certains pics ne peuvent être attribués à une fragmentation simple

pics de réarrangement

Réarrangement = fragmentation complexe A la fois rupture et création de liaisons

a - Réarrangement de McLafferty

Formation d’un nouveau cation radical

Exemple

Pour des ions comportant une liaison C=O ou C=C avec existence d’un H en de l’insaturation

Transfert de H sur le site ionisé par l’intermédiaire d’un mécanisme à six centres

Elimination d’une molécule neutre d’éthylénique

b - Réaction rétro-Diels-Alder

Fragmentation possible via une réaction rétro-Diels-Alder

Cyclohexènes

V.5 - Fragmentations de quelques classes chimiques

V.5.1 - Les hydrocarbures

Spectres de masse faciles à interpréter

V.5.1.1 - Alcanes linéaires

Ion R+ CH3+ CH3-CH2

+ CH3-CH2-CH2+ CH3-CH2-CH2-CH2

+

m/z 15 29 43 57

Pics les plus intenses du spectre : Ions 43 et 57 cations les plus stables

Cas de l’hexane : Pic parent à m/z = 86

V.5.1.2 - Alcanes ramifiés

Ramification plus grande probabilité de clivage à l’embranchement

Cas du néopentane

Carbocation plus substitué + stable

Pic parent absent sur le spectre Ion moléculaire se fragmente rapidement carbocation tertiaire stable

V.5.1.3 - Alcènes

Fragmentation des alcènes

cation allylique stabilisé par résonance

V.5.1.4 - Composés benzéniques

Pic parent toujours important :

ion moléculaire fortement stabilisé

pour le cycle aromatique

Spectres de masse facilement interprétables

Pics caractéristiques

m/z = 77 : [M-H]+ m/z = 51 : C4H3

+ [77 – 26 (acétylène)] m/z = 39 : ion cyclique C3H3

+ [51-12]

Fragmentations du benzène

a - Le benzène

Perte du substituant

b - Les benzènes monosubstitués

Substituant ≠ alkyle Clivage

etc … comme pour le benzène cation phényle à m/z = 77

Clivage β Substituant = alkyle de type CH2-R

Fragmentation prépondérante : Rupture en du cycle aromatique

"rupture benzylique"

Perte d’un hydrogène ou d’un groupe R cation tropylium C7H7

+ à m/z = 91

Pic parent souvent faible

Fragmentation la plus importante : perte d’un groupe alkyle, préférentiellement le plus volumineux

V.5.1.5 - Alcools

Souvent, pic important à M-18 perte d'une molécule d'eau

V.5.1.6 - Aldéhydes

Clivage α

Clivage

Réarrangement de McLafferty fragment de masse 44 indiquant bien la fonction aldéhyde

Si H en de l’insaturation

Chromatographie en phase gazeuse couplée à la spectrométrie de masse ou GC-MS

Chromatographie en phase gazeuse ou CPG: Phase mobile = éluant gazeux inerte (He, H2,

N2) qui entraîne le mélange à analyser.

Phase stationnaire, fixée sur un support inerte, retient +/- les constituants du mélange.

Analyse des lipides par GC-MS

Helium

15 psi

Four

Injecteur splitless

300°C

Source

d'ions

EI +

Interface

350°CPompage du vide

Analyseur

quadripolaire

Photo -

multiplicateur

d'é

300 °C m/z 30-800 Da

Detecteur de masse MD-800

Acquisition et

traitement des

données

(MassLab)

Colonne capillaire

BP- X5, L=30m

100 à 200°C avec 10°/min

ChromatogrammeSpectre de masse du composé x

200 à 360°C avec 10°/min

30 min à 360°C

GC 8000

Lipides silylés

identification de x

Injection à haute température CPG

s’applique aux gaz et aux composés susceptibles d’être vaporisés sans décomposition à haute température:

Gaz vecteur

Zone chauffée - 300°C

Liner

Septum en méthyl-silicone

Cartouche

chauffante

Thermocouple

échantillon liquide

Colonne

Réactions de dérivation des lipides:

* Alkylation

* Silylation

En masquant les fonctions polaires, elles permettent d'augmenter: la volatilité la stabilité la détectabilité

Alkylation:

réduit la polarité des lipides en remplaçant

les H actifs par des groupements alkyles

CO

H

R

O

Acide gras

+ CH3

OHKOH

BF3C

OR

O CH3

Ester méthylique

Silylation: réduit la polarité des lipides en remplaçant

les H actifs par des groupements

triméthylsilyl ou tert-butyl-diméthyl-silyl (t-

BDMS).

C

O

H

R

O

Acide gras

+ MTBSTFAC

O

R

O Si C

CH3

CH3

CH3

CH3

CH3

1H, 60°C

t-BDMCS

Dérivé t-BDMS

Séparation des lipides dans la colonne

capillaire:

Gaz vecteur

Temps d'analyse

0 t0 t t t1 2 3

ColonneMélange

à séparer

Phase stationnaire

= Temps de rétention

Phase stationnaire

Phase stationnaire apolaire de type BP-X5 =

Polymethylphenylsiloxanes

5% diphényl

95% diméthyl polysiloxaneBPX5

CH3

Si OCH

3

CH3

CH3 CH

3CH

3

Si Si Si SiO O O

CH3

CH3

....... O

CH3

......

Séparation en fonction de: - la polarité (intéractions hydrophobes)

- la masse molaire

- la température

Exemple de chromatogramme (obtenu par CPG)

No Compounds KI HD % MAH %

1

tricyclene

919

0.86

0.73

2 -pinene 930 14.53 12.87

3 camphene 946 19.74 17.07

4 -pinene 974 4.60 4.63

5 o-cymene 1019 1.55 1.54

6 limonene 1024 3.22 2.97

7 1,8-cineole 1028 6.52 6.73

8 trans sabinene hydrat 1095 0.47 0.36

9 alloocimene 1122 0.73 0.66

10 camphor 1147 35.92 35.33

11 pinacarvone 1154 0.41 -

12 1-borneol 1163 3.38 3.47

13 terpinene-4-ol 1173 1.20 1.13

14 p-cymen-8-ol 1178 - 0.12

15 -terpineol 1185 0.75 0.77

16 myrtenol 1196 0.40 0.37

Résultats d’une analyse GC-MS

Fréquences de résonance de différents noyaux pour un champ magnétique d’intensité 9,4T

isotope

Spin

I

Abondance naturelle (Z)

γ/2π (MHz.T-

1)

ν0 (MHz) pour B0=2.3487T

Sensibilité relative à

induction fixe

Moment

quadrupolaire (10-28 m2)

1H

½

99.98 42.577 100 1.000 0

2H

1

0.015 6.536 15.35 9.64×10-3 0.00273

13C

½

1.108 10.705 25.14 1.59×10-2 0

19F

½

100 40.055 94.08 0.834 0

31P

½

100 17.235 40.48 6.64×10-2 0

15N

½

0.37 -4.315 10.13 1.04×10-3 0

14N

1

99.63 3.076 7.22 1.01×10-3 0.02000

Tab1. Propriétés nucléaires de quelques isotopes

(a) Fréquence résonante pour une induction B0=1Tesla

(b) Valeurs calculées pour des nombres égaux de noyaux

Quantification du spin nucléaire

Niveaux d’énergie

ppm

Spectre RMN des protons de l’éthanol en phase liquide mesuré à 200MHz.

Le signal le plus à droite est celui d’une substance de référence communément utilisée

– le TétraMéthylSilane. La formule relie la fréquence de résonance de chaque type de

proton, ν0i, à son coefficient d’écran. Le tracé en escalier représente l’aire des différents

signaux.

Le déplacement chimique Exemple du spectre protonique du mélange benzène/acétone/TMS

σ : constante d’écran ou de déblindage (10-3 à 10-6)

→ Détection de trois signaux distincts correspondant aux protons des trois constituants du mélange. Condition de résonance :

νres=γBnoyau/2π=γBapp(1-σ)/2π γ : rapport gyromagnétique (fonction du type de noyau)

→ La mesure de la fréquence de résonance donne des renseignements sur l’environnement électronique

du noyau observé.

Les spectromètres sont conçus pour balayer les fréquences de droite à gauche (ou le champ de

gauche à droite). Les noyaux de σ élevé (noyaux blindés) apparaissent à champ fort (à droite

sur les enregistrements) et ceux de σ petit apparaissent à champ faible (à gauche).

Les noyaux d’une même molécule ayant même σ sont dits isochrones ou équivalents.

RMN C13: CH3CO

2CH

2CH

3

Les couplages J homonucléaires proton-proton

On parle de couplage géminal pour deux protons portés par un même carbone :

ils varient de: –12 à –20Hz pour un carbone sp3 et de 0 à 3.5Hz pour un carbone sp2.

Les couplages vicinaux font intervenir deux carbones distincts.

Quelques valeurs typiques sont indiquées sur la figure suivante :

Une double ou une triple liaison favorise le couplage indirect qui peut devenir

observable au- delà de trois liaisons :

Les couplages dans les cycles saturés ont également des valeurs typiques :

n

Intensités relatives

(spectre de A)

Multiplet

1 1 1 doublet

2 1 2 1 triplet

3 1 3 3 1 quadruplet

4 1 4 6 4 1 quintuplet

5 1 5 10 10 5 1 sextuplet

6 1 6 15 20 15 6 1 septuplet

Les multiplets système AXn (spins ½):

Spectrum of Radiation

II. Ultra Violet Spectrometry

L’absorption de la radiation ultraviolet par les molécules depend de leur structure electronique.

Le spectre ultraviolet est appelé spectre

electronique.

Electronic Excitation

L’absorption de faible énergie des composés organiques dans le visible et l’ultraviolet concerne les electrons , , n-orbitals.

Electronic Molecular Energy Levels

L’énergie de transition faible ( *) concerne

des ondes courtes parcontre l’énergie de transition forte (*, n *) concerne des ondes longues.

Chromophore is a functional group which absorbs a

characteristic ultraviolet or visible region.

210 nm Double liaison

233 nm Diene conjuguée

268 nm Triene conjuguée

315 nm Tetraene conjuguée

and * orbitals and * orbitals

III. Infrared Spectrometry

Dans la zone Infrarouge l’energie de la radiation

est absorbée par des composés organiques et

convertie en énergie de vibration moléculaire.

Le motif d'absorption d'énergie ainsi obtenue est

communément appelé un spectre infrarouge qui

présente le tracé de l'intensité de l'absorption de

rayonnement par rapport à longueur d'onde

d'absorption.

Some Molecular Vibrations

Infrared Spectrum

Bond Base Value Strength / Shape Comments

1 C=O 1715 s, "finger" Exact position depends on type

of carbonyl

2 O-H 3600 s, brd Broad due to H bonding

3 N-H 3500 m Can tell primary from

secondary

4 C-O 1100 s Also check for OH and C=O

5 C=C 1650 w alkene

m-s aromatic

Alkene w due to low polarity

Aromatic usually in pairs

6 CC 2150 w, sharp Most obvious in terminal

alkynes

7 C-H 3000 s

As hybridisation of C changes

sp3-sp2-sp, the frequency

increases

8 CN 2250 m, sharp Characteristic since little else

around it