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SPECTROMETRIE DE MASSE. CHAPITRE V. I - INTRODUCTION. Cette technique est applicable pour des composés solides, liquides et gazeux. Elle permet : Détermination de la masse molaire Analyses structurales Explication des mécanismes de ruptures de liaisons… - PowerPoint PPT Presentation
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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
II - PRINCIPE
impact électronique
Analyse de fragments moléculaires obtenus par ionisation
ionisation chimique
Ionisation : A-B-C + 1e- A-B-C+. + 2e-
A-B-C+. : ion radical Fragmentations
Accélération des particules chargées par un champ électrique
Analyse : mesure de m/z de chaque fragment moléculaire
ions, radicaux ou molécules neutres
Déviation des particules chargées par un champ magnétiquedéviation proportionnelle à masse/charge : m/z
Nombre d’ions ayant un m/z donné lié à l’intensité du pic correspondant
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
Introduction de l'échantillon dans la source d'ions
III.1 - Le système d'introduction de l’échantillon
GAZ et LIQUIDES VOLATILSA partir d’un ballon chauffé mis en
communication avec source
SOLIDESTube avec filament + échantillon dissous
dans un solvant organique et chauffé pour être
vaporiséEchantillon dans la source : état gazeux
1ère étape
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'ionisationL'impact électroniqueLe plus répandu :
Collisions entre molécules et électrons se font à 70 eV : très énergétiques
Ionisation d’une
molécule Mion
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 eVEnergie des électrons accélérés = 70 eV
ions fils ou fragments
Fragmentation de l’ion moléculaire ou ion parent
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.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
V2rHz/m
22
F = 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
V2rHz/m
22
Tubes en forme de corne placés sous haute tension (1 à 3 kV)
III.4 - Le collecteur d’ions
Ion entrant dans le collecteur émission secondaire de plusieurs électrons phénomène d’émission en cascade courant d’électrons appréciable détecté à la sortie du collecteur
Effet multiplicateur d’électrons
III.5 - Le système de traitement des données
Les spectromètres de masse sont pilotés par un ordinateur.
Opérations :a - Réglage et calibrage du spectromètreb - Acquisition et stockage des donnéesc - 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/m22
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
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 réélle
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 trajetAB+. 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 = 847 x 1H = 71 x 14N = 14
1 x 16O = 16M = 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 un nombre impair d’éléments trivalents (N, P…) : CxHyOzNw (w =1,3,5…)
Exemple : Benzamide C7H7NO m/z = 121Nombre 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 légerb : abondance relative de l’isotope le plus lourd prise égale à l’unitén : nombre d’atomes de l’élément considéré
Nombre et intensités relatives des pics de l’amas isotopique
Isotopes d’abondance considérable
Exemple 1 : CH3Br79Br: 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 158intensités 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
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 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 fragmentsRCO+ R’CO+ R+ R’+ Fragments R+ et R’+
minoritaires
b - Liaisons carbone-carbone adjacentes à un hétéroatome
Rupture facile : cation résultant stabilisé par résonance
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 réarrangementRéarrangement = 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 chimiquesV.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
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.5.1.4 - 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 benzènecation phényle à m/z = 77
Clivage β
Substituant = alkyle de type CH2-RFragmentation 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
Réarrangement de McLafferty fragment de masse 44 indiquant bien la fonction aldéhyde
Si H en de l’insaturation