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
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