Savoir faire parler un spectre de masse…

Savoir faire parler un spectre de masse…

Par tous les moyens…

Yann HAUTEVELLE, Yueming LU

Séminaire AROME, 23 Avril 2010

Analyse la plus courante au laboratoire de géochimie organique :

Analyse par couplage chromatographie en phase gazeuse (GC, séparation des composés) et spectrométrie de masse (MS, détermination des composés).

Qu’est-ce qu’un spectre de masse ?Intro

II. Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s

I. Analyse du poids moléculai

re

Acquisition &traitement

Chromatographieen phase gazeuse

Séparation descomposés

Spectrométrie de masse

Identification descomposés

Qu’est-ce qu’un spectre de masse ?

chromatogramme

Identification

– comparaison avec des spectres publiés

– interprétation du spectre de masse

spectre de masse

Intro

II. Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re


chromatogramme

spectre de masse

Intro

II. Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

– interprétation du spectre de masse

Technique assez limitée. Pas forcément possible de déterminer un composé avec certitude mais possibilité d'obtenir certaines informations sur la structure moléculaire.


chromatogramme

spectre de masse

Intro

II. Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

Ion moléculaire

Fragments primaires & secondaires

Un spectre de masse est constitué :

Ion moléculaire : Dernier pic du spectre de masse. Normalement pair (sauf si le nombre d’atome d’azote est impair) Valeur m/z poids moléculaire du composé (car z = 1) Intensité dépend du degré de fragmentation de la molécule

L’ion moléculaireIntro

II. Analyse

des fragment

s primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

30 40 50 60 70 80 90 100

26

9754

69

m/z

Maleimide

(Origine : chlorophylle)

m/z40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

n-C1457

43

71

85

99 113 198127 141 155 169

Faible intensité molécule très fragmentée

L’ion moléculaireIntro

II. Analyse

des fragment

s primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

30 40 50 60 70 80 90 100

26

9754

69

m/z

Maleimide

(Origine : chlorophylle)

m/z

Forte intensité molécule peu/pas fragmentée

m/z(Ion moléculaire) /2 double ionisation (z = 2)

Ion moléculaire : Dernier pic du spectre de masse. Normalement pair (sauf si le nombre d’atome d’azote est impair) Valeur m/z poids moléculaire du composé (car z = 1) Intensité dépend du degré de fragmentation de la molécule

40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200

n-C14 (C14H30)57

43

71

85

99 113 198127 141 155 169 183

m/z

Fragments primaires : - Générés lors d’une première fragmentation de la molécule. - Proportions relatives de ces fragments portent des informations sur la structure de la molécule.

M+-15M+-14M+-14

M+-14

Possibilité de fragmentations secondaires (fragmentation des fragments).

Présence d’amas au lieu de pics individuels (perte de protons ou présence d'isotopes plus lourds, dans le cas d’hydrocarbures : 2H, 13C).

Intro

II. Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

Fragments primaires & secondaires

Tableau des poids

moléculairesDonne pour chaque poids moléculaire les formules brutes possibles pour les

hydrocarburesII.

Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

I. 01 Présentation du tableau des poids moléculaires

Tableau des poids

moléculaires

II. Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

I. 12 Présentation du tableau des poids moléculaires

Etude du poids moléculaire Possibilité d’avoir des informations

importantes sur la structure moléculaire.

n-C14 57

43

71

85

99 113 198127 141 155 169

m/z

Pour ce composé aliphatique, on utilise la

première colonne.

Pour M+ = 198, 2 formules brutes possibles :

C14H30 & C15H18

La bonne formule : C14H30

II. Analyse

des fragment

s primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

I. 02 Exemple du n-C14

Pour ce composé aromatique, on utilise la

dernière colonne

m/z


II. Analyse

des fragment

s primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

I. 03 Exemple du phénanthrène

Pour M+ = 178, 2 formules brutes possibles:

C13H22 & C14H10

m/z20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

57

7143

85113

99 183127 155141268


Pour ce composé aliphatique, on utilise à nouveau la

première colonne

II. Analyse

des fragment

s primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

I. 04 Exemple du pristane

Pristane

Pour M+ = 268, 3 formules brutes possibles :

C19H40 & C20H28 & C21H16

C19H12 formule brute d’un composé très aromatisé.

4,5-méthanochrysèneII.

Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

I. 05 Exemple du 4,5-méthanochrysène

Pour ce composé aromatique, on utilise à nouveau la

dernière colonne

Deux règles générales d’utilisation du tableauRègle 1 : Les composés complètement saturés sont en bas de

colonne. Exemples du n-C14, pristane

Correspond aux aliphatiques linéaires éventuellement ramifiés.

Les composés les plus insaturés sont en haut de colonne. Exemples du phénanthrène & 4,5-méthanochrysèneCorrespond aux composés à forte aromaticité.

II. Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

I. 06 Règles générales d’utilisation du tableau

n-C14

Pristane

Phénan-thrène

4,5-méthano-chrysène

CnH2n+2M = 12n + 2n + 2 = 14n + 2

n = (M-2)/14

Deux règles générales d’utilisation du tableauRègle 2 : Pour une valeur m/z, la première colonne concerne souvent

les aliphatiques alors que les autres colonnes concernent préférentiellement les aromatiques

II. Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

I. 07 Règles générales d’utilisation du tableau

TétradécaneAliphatique

première colonneCadalèneAromatique

dernière colonne

Haut de colonne : complètement insaturé

(aromatisé)I = max

I = 1

I = 9

I : Indice d’insaturation 1 degré d’insaturation une double liaison (peu fréquent) ou un cycle

(plus fréquent)En premier approche, I indique le nombre de cycles dans la molécule.

I = 1 I = 4 I = 7

II. Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

I. 08 Indices d’insaturation

I = 5

I = 2

Bas de colonne : complètement saturé

I = 0

Méthylionène

Fichtélite

40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

8195

109

16312355 69

26213741 149 219 247

179

191

m/z

Composé aliphatique utilisation de la première colonne C19H34 I = 3 : tricyclique

II. Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

I. 09 Exemple de la fichtélite (Norabiétane)

I = 3

Norditerpane tricyclique (information importante en

paléochimiotaxonomie)

Composé aromatique utilisation de la deuxième colonne: C18H18

I = 10 : triaromatique

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

219

234

205189

95 110 178165153

Rétène (équivalent aromatique de la fichtélite)

II. Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

I. 10 Exemple du rétène

m/z

I = 10Bisnorditerpénoïde triaromatique

(information importante en paléochimiotaxonomie)

70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250

237

252

195165

178153111

m/z

Simonellite (intermédiaire entre la fichtélite et le rétène)

Composé aromatique utilisation de la deuxième colonne C19H24

I = 8 : 1 cycle saturé + 2 cycles aromatiques

II. Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

I. 11 Exemple de la simonellite

I = 8Norditerpénoïde tricyclique

diaromatique (information importante en

paléochimiotaxonomie)

II. Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

I. 12 Exercice °1

Triterpane pentacyclique - trishomohopane

439(M+-15)

(PHILP, 1985)

I = 5

Composé aliphatique utilisation de la première colonne C33H58

I = 5 : 5 cycles saturés

Spectre d’un composé présent dans la fraction aliphatique

II. Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

I. 13 Exercice °2

Triterpane hexacyclique monoaromatique - C33 benzohopane

(Hussler et al, 1984)

I = 9

Composé aromatiquedeuxième et troisième colonnes utilisables I = 9 ou 16 (9 préférable) C33H50

5 cycles saturés + 1 cycle aromatique

Spectre d’un composé présent dans la fraction aromatique

I = 16 peu probable

II. Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

II. 01 Proportion relative des fragments & structure moléculaire

Proportion relative des fragments dépend de la manière dont se fragmente la molécule

structure moléculaire

Fragment généré en forte abondance forte proportion du m/z correspondant.

Fragment généré en faible abondance faible proportion du m/z correspondant.

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

219

234

20518995 110 178165

m/z

219

Rétène

219189189

n-C1457

43

71

85

99113 198127 141 155 169

m/z

43 7157 85 57 437185

II. Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

II. 02 Généralités sur l’étude des fragments

Proportion relative des fragments dépend de la manière dont se fragmente la molécule

structure moléculaire

Pas de méthodologie applicable directement, basé sur l’expérienceExemple: les fragments récurrents

m/z 123 diterpanes m/z 109 norditerpanem/z 159 composés aromatiques

Se baser sur les modèles de fragmentation connus et de référence. Exemples : n-alcane pour les composés aliphatique linéaire ramifiés

C30-hopane pour la série homologue des hopanes

Calamenène

159

II. Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

II. 03 Exemple du pristane

Intensité relativement importante à m/z 113 & 183

m/z20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260

57

7143

85113

29 99 183127 155141

268

Pristane113 113

183

Présence de ramification augmente la probabilité de fragmentation

n-C1457

43

71

85

99 113 198127 141 155 169m/z

Modèle de base pour les composés aliphatiques linéaires ramifiés

Ces fragments permettent de positionner les ramifications sur la structure linéaire

191

191

60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400

191

9769

123 149207175 397281 369231

55259

412

83

m/z

II. Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

II. 04 Exemple des hopanes

C30-hopaneModèle de base pour les

hopanes

n-C1457

43

71

85

99 113 198127 141 155 169m/z

Fragments m/z 55,69,83,97 caractéristiques des composés aliphatique cycliques

369

2 fragments 191 générés forte intensité à m/z 191 Un fragment m/z 369 4 cycles naphténiques + 1 cycle penténique

II. Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

II. 05 Exemple du C31-hopane

C31-hopane

m/z60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420

191

95

69123

163

205 (191+14)

147

411

53

369 391

191

205

II. Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re


C32-hopane 191

219

60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360

95

81

55109

123 149163

177369205

m/z

191

219

II. Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re


C33-hopane

m/z

60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280

55

69

81

95

109

121137

149

163177

191

205219

233

247257

191

233

II. Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re


C34-hopane

60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360

55

81

95

109

123

149

163

191

205233

247

259369

219

m/z

191

247

II. Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re


C35-hopane 191

261

60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360

95

81

55109

123 149163

177369

205 219

233 247

m/z

191

261

II. Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

II. 10 Isomérisation des C32-hopanes

60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360

219

191

95

8155 109

123 149163

177 369205

281233

αβ C32-hopane

βα C32-hopane (C32 morétane)

60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360

219191

95

8155 109

123 149163

177 369205

281233

60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360

219

19195

8155 109123 149163

177 369205

281233

ββ C32-hopane

m/z

αβ Configuration "géologique"

ββ Configuration "Biologique"

βα Configuration intermédiaire

X

m/z

II. Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

II. 11 Les différentes structures de triterpanes pentacycliques

60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400

191

9769

123 149 207175 397281369

23155

259412

83

m/z

369

40 60 80 100120140160180200220240260280300320340360380400

Friédélane412

149

69 9543 204 259123 233179

288

395

60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400

191

9769

123 149207175 397281 369231

55

259

412

83

m/z

X

Gammacérane

369

Pas de 191

60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230

159

173128 143 230115 2159177 105

m/z

II.Analyse des

fragments

primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re

III.01 Application N°1

Composé inconnu présent dans la fraction aromatique de pyrolysats de nombreux conifères

I = 5 & I = 12 sont cohérents avec l’aromaticité du composé mais I = 12 peu probable pour un composé en C18.

Trisnorditerpénoïde bicyclique monoaromatique

I = 5

I = 12

C17H26 avec I = 5 Trisnorditerpénoïde avec 1 noyau aromatique (I = 4). Reste 1 degré d’insaturation à pourvoir (cycle saturé supplémentaire).

II. Analyse des

fragments primaires

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re



Trisnorditerpénoïde bicyclique

monoaromatique

60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230

159

173128 143 230115 2159177 105

m/z

2 cycles (10 atomes de C) reste à placer 7 C

- 71 (5 C)

Par expérience, m/z 159 correspond 1 noyau aromatique + 1 cycle naphténique + 2 méthyl périphériques

Perte de 5 atomes de C (-C5H11)pour former le fragment caractéristique m/z 159

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re



Trisnorditerpénoïde bicyclique

monoaromatique

60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230

159

173128 143 230115 2159177 105

m/z

Diterpénoïde bicyclique faible diversité dans la nature les labdanes sont largement les plus abondants.

- 71 (5 C)

Vraisemblablement ‘labdane monoaromatique’Composé spécifique de conifère mais jamais décrit dans la littérature.

II.Analyse des

fragments

primaires

m/z60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280

169

240

153128 141115

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re



Disnorditerpénoïde tétracyclique monoaromatique ou biaromatique

II.Analyse des

fragments

primaires

I = 7

I = 14

I = 7 & I = 14 sont cohérents avec l’aromaticité du composé mais I = 14 peu probable pour un composé en C19.

C18H24 avec I = 7 Disnorditerpénoïde avec 1 noyau aromatique (I = 4)

Reste 3 degré d’insaturation à pourvoir : 3 cycles naphténiques ou 1 noyau aromatique à côté.

m/z60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280

169

240

153128141115

Introduction

III. Applicatio

ns et utilisation

s


re



71 (-C5H11)

II.Analyse des

fragments

primaires

Disnorditerpénoïde tétracyclique

monoaromatique ou biaromatique

Béyérane monoaromatique

Kaurane monoaromatique

Phyllocladane monoaromatique

Tétracyclique monoaromatique : Seul le cycle A peut être aromatisé

Biaromatique :Labdane

biaromatique

Supporté par leur abondance dans les Araucariaceae

Supporté par l’abondance du fragment m/z 169 (M+-71)

Documents

Savoir faire parler un spectre de masse…