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
I. Analyse du poids moléculai
re
Qu’est-ce qu’un spectre de masse ?
chromatogramme
spectre de masse
Intro
II. Analyse des
fragments
primaires
Introduction
III. Applicatio
ns et utilisation
s
I. Analyse du poids moléculai
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.
Qu’est-ce qu’un spectre de masse ?
chromatogramme
spectre de masse
Intro
II. Analyse des
fragments
primaires
Introduction
III. Applicatio
ns et utilisation
s
I. Analyse du poids moléculai
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
I. Analyse du poids moléculai
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
99113
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
I. Analyse du poids moléculai
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
99113
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
I. Analyse du poids moléculai
re
Fragments primaires & secondaires
Tableau des poids
moléculaires
Donne pour chaque poids moléculaire les formules brutes possibles pour les
hydrocarbures
II. Analyse
des fragment
s primaires
Introduction
III. Applicatio
ns et utilisation
s
I. Analyse du poids moléculai
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
I. Analyse du poids moléculai
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
I. Analyse du poids moléculai
re
I. 02 Exemple du n-C14
Pour ce composé aromatique, on utilise la
dernière colonne
m/z
La bonne formule : C14H10
II. Analyse
des fragment
s primaires
Introduction
III. Applicatio
ns et utilisation
s
I. Analyse du poids moléculai
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
La bonne formule : C19H40
Pour ce composé aliphatique, on utilise à nouveau la
première colonne
II. Analyse
des fragment
s primaires
Introduction
III. Applicatio
ns et utilisation
s
I. Analyse du poids moléculai
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
I. Analyse du poids moléculai
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 tableau
Règle 1 : Les composés complètement saturés sont en bas de colonne.
Exemples du n-C14, pristaneCorrespond 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
I. Analyse du poids moléculai
re
I. 06 Règles générales d’utilisation du tableau
n-C14
Pristane
Phénan-thrène
4,5-méthano-chrysène
CnH2n+2
M = 12n + 2n + 2 = 14n + 2
n = (M-2)/14
Deux règles générales d’utilisation du tableau
Règle 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
I. Analyse du poids moléculai
re
I. 07 Règles générales d’utilisation du tableau
TétradécaneAliphatique
première colonne
CadalèneAromatique
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
I. Analyse du poids moléculai
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
262
13741 149 219 247179
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
I. Analyse du poids moléculai
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
I. Analyse du poids moléculai
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
195
165178
153111
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
I. Analyse du poids moléculai
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
I. Analyse du poids moléculai
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
I. Analyse du poids moléculai
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
I. Analyse du poids moléculai
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
205189
95 110 178165
m/z
219
Rétène
219189189
n-C14
57
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
I. Analyse du poids moléculai
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
I. Analyse du poids moléculai
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
71
43
85
11329 99 183
127155141
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
55
259412
83
m/z
II. Analyse des
fragments
primaires
Introduction
III. Applicatio
ns et utilisation
s
I. Analyse du poids moléculai
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
I. Analyse du poids moléculai
re
II. 05 Exemple du C31-hopane
C31-hopane
m/z
60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420
191
95
69
123
163
205 (191+14)
147
411
53
369 391
191
205
II. Analyse des
fragments
primaires
Introduction
III. Applicatio
ns et utilisation
s
I. Analyse du poids moléculai
re
II. 06 Exemple du C32-hopane
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
I. Analyse du poids moléculai
re
II. 07 Exemple du C33-hopane
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
I. Analyse du poids moléculai
re
II. 08 Exemple du C34-hopane
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
I. Analyse du poids moléculai
re
II. 09 Exemple du C35-hopane
C35-hopane 191
261
60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360
95
81
55109
123 149
163
177369
205 219
233 247
m/z
191
261
II. Analyse des
fragments
primaires
Introduction
III. Applicatio
ns et utilisation
s
I. Analyse du poids moléculai
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
81
55109
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
81
55109
123 149163
177369
205281233
60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360
219
191
95
8155 109
123 149163
177369
205281233
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
I. Analyse du poids moléculai
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 149207175 397281
369231
55259
412
83
m/z
369
40 60 80 100120140160180200220240260280300320340360380400
Friédélane412
149
69 9543 204259
123 233
179
288
395
60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400
191
9769
123149
207175 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
I. Analyse du poids moléculai
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
I. Analyse du poids moléculai
re
III.02 Application N°1
Composé inconnu présent dans la fraction aromatique de pyrolysats de nombreux conifères
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
I. Analyse du poids moléculai
re
III.03 Application N°1
Composé inconnu présent dans la fraction aromatique de pyrolysats de nombreux conifères
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
153
128 141115
Introduction
III. Applicatio
ns et utilisation
s
I. Analyse du poids moléculai
re
III.04 Application N°2
Composé inconnu présent dans la fraction aromatique de pyrolysats de nombreux conifères
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
I. Analyse du poids moléculai
re
III.05 Application N°2
Composé inconnu présent dans la fraction aromatique de pyrolysats de nombreux conifères
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)
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