SPECTROMETRIE DE MASSE CHAPITRE V SPECTROMETRIE DE MASSE

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

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  Sensibilité  Sélectivité  Rapidité AVANTAGES DE LA TECHNIQUE 

Analyse de fragments moléculaires obtenus par ionisation II - PRINCIPE Analyse de fragments moléculaires obtenus par ionisation impact électronique ionisation chimique

 Ionisation : A-B-C + 1e-  A-B-C+. + 2e- A-B-C+. : ion radical  Fragmentations ions, radicaux ou molécules neutres  Accélération des particules chargées par un champ électrique  Déviation des particules chargées par un champ magnétique déviation proportionnelle à masse/charge : m/z  Analyse : mesure de m/z de chaque fragment moléculaire Nombre d’ions ayant un m/z donné  lié à l’intensité du pic correspondant

     III - APPAREILLAGE collecteur d’ions ou détecteur : détecte ions sortants et les exprime en fonction de leur abondance relative    source : lieu d'ionisation des molécules et fragmentation des ions analyseur : sépare les ions en fonction de m/z   Un vide poussé est fait dans chacun de ces éléments.

Echantillon dans la source : état gazeux III.1 - Le système d'introduction de l’échantillon 1ère étape  Introduction de l'échantillon dans la source d'ions GAZ et LIQUIDES VOLATILS A partir d’un ballon chauffé mis en communication avec source SOLIDES Tube avec filament + échantillon dissous dans un solvant organique et chauffé pour être vaporisé Echantillon dans la source : état gazeux

L'impact électronique III.2 - La source d’ions Plusieurs types selon le mode d'ionisation Le plus répandu : L'impact électronique 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  Collisions entre molécules et électrons se font à 70 eV : très énergétiques

Ion moléculaire M+. : ion radical Ionisation d’une molécule M Molécule neutre, électrons appariés Par ionisation   ion moléculaire positif Formation d’un radical   Ion moléculaire M+. : ion radical M + e- M+. + 2e-

  ions fils ou fragments Energie d’ionisation des molécules = 6-12 eV Energie des électrons accélérés = 70 eV Excès d'énergie : sous forme d’énergie interne  Fragmentation de l’ion moléculaire ou ion parent  ions fils ou fragments

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

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)

 Dans un champ magnétique H : Application de la Loi de Laplace Ions de charge z et de vitesse v  H subissent une force d’origine magnétique, s’équilibrant avec la force centrifuge : F = zvH = mv2/r  v = zHr/m

F = zvH = mv2/r  v = zHr/m Or, ½mv2 = zV V : tension d'accélération  H : champ magnétique r : rayon de la trajectoire de l’ion = rayon de courbure de l'électroaimant

En général, balayage du champ magnétique Détection de tous les ions produits (tous les m/z) : par variation de H ou de V En général, balayage du champ magnétique

III.4 - Le collecteur d’ions  Effet multiplicateur d’électrons  Tubes en forme de corne placés sous haute tension (1 à 3 kV)  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

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

 pic à une valeur m/z sur le spectre de masse IV - SPECTRE DE MASSE  A la sortie du détecteur, on collecte les ions : - chargés positivement - vérifiant la condition (r : rayon de courbure de l'électroaimant)  pic à une valeur m/z sur le spectre de masse

 ordonnée : intensité  abondance relative des ions SPECTRE DE MASSE = Diagramme   abscisse : m/z (en impact électronique, z presque toujours égale à 1)  ordonnée : intensité  abondance relative des ions Intensité du pic le plus intense du spectre : fixée arbitrairement à 100

Les différents types de pics a - Le pic de base  Pic le plus intense du spectre  Ion le plus abondant b - Le pic moléculaire ou pic parent  m/z = masse moléculaire

 Pics m/z = 14, 15 et 16 : pics fragments  Pic de base m/z = 17 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. pic sur la spectre  Si durée de vie < qq μs ion métastable  Ion métastable :  se décompose en partie sur le trajet

Ion métastable : se décompose en partie sur le trajet AB+. A+ + B.  Si la décomposition de AB+. (de masse m1) a lieu entre source et analyseur  Ion A+ (masse m2) donne une trace sur le spectre à une masse apparente m* : m* = m22/m1 m* ≠ masse réélle

 Une transition métastable  3 pics  - 2 pics (normaux) à m1 et m2 - 1 pic métastable à m* : Faible, de forme diffuse, dont la position non nécessairement une valeur entière

Selon deux étapes V - ANALYSE SPECTRALE  Exploitation de l’ion moléculaire : masse moléculaire, parité, isotopes, masse exacte...  Exploitation des ions fragments : détermination de la structure de la molécule

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.  - Méthane 12C1H4: ion moléculaire à m/z = 16 7 x 12C = 84 1H 1 14N 14 16O 16 M 121 - Benzamide C7H7NO Ion moléculaire M+. m/z = 121 La spectrométrie de masse permet de déterminer la masse moléculaire d’une substance inconnue.

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 = 121 Nombre d’atomes d’azote : 1 (impair).

V.3 - Amas isotopique Abondances naturelles relatives des isotopes des éléments courants calculées / 100 (isotope majoritaire)

Ces différents pics = Amas isotopique Isotopes de faible abondance-Cas du carbone  Exemple : CH4  13C1H4 m/z = 17 pic M + 1  12C2H1H3 m/z = 17 pic M + 1  13C2H1H3 m/z = 18 pic M + 2 ……. Ces différents pics = Amas isotopique Intensités relatives des pics de l’amas isotopique selon abondance naturelle des différents isotopes de l’élément

12C2H1H3: Abondance isotopique du 2H = 0,016% Pic M+1 : * 13C1H4 : Abondance isotopique du carbone 13 = 1,1%  intensité du pic M+1 ≈ 1,1% de celle du pic M (12C ) 12C2H1H3: Abondance isotopique du 2H = 0,016%

Nombre et intensités relatives des pics de l’amas isotopique 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

Isotopes d’abondance considérable Cas du chlore et du brome 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. Exemple 1 : CH3Br 79Br: 100% 81Br: 98% a=1 b=1 Amas isotopique : 2 pics M et M+2 d’intensité relative 1:1 (a+b)1 = a + b 1 1 M M+2

M (m/z = 156) M+2 (m/z = 158)  2 pics : 156 et 158 intensités presque égales car abondance naturelle relative des isotopes presque égales : 79Br (100%) et 81Br (98%)

intensités relatives 9:6:1 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

Composés avec à la fois n atomes Cl et m atomes Br Relation (a+b)n(c+d)m

V.4 - Les fragmentations  Analyse d'un spectre de masse  masse moléculaire formule brute mesure des rapports isotopiques d’un élément structure moléculaire  En effet, les modes de fragmentation dépendent des groupes fonctionnels de la molécule

 Les liaisons faibles se coupent plus facilement. V.4.1 - Règles de base 3 facteurs favorisent le processus de fragmentation :  Les liaisons faibles se coupent plus facilement.  Les fragments stables se forment préférentiellement.  Les fragmentations avec réarrangement sont favorisées par l’aptitude de certaines molécules ionisées à donner un état transitoire à six centres.

 charge localisée sur l’hétéroatome 1ère étape  Ionisation d’une molécule M = expulsion d’un électron d’une liaison ou d’un doublet libre : M + 1e-  M+. + 2e- Hétéroatomes  ionisation préférentielle sur l’un d’eux  charge localisée sur l’hétéroatome En général, charge non localisée  utilistion de crochets [ ]

2ème étape Ion radical formé  généralement fragmentation  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  Alcools, éthers et alcanes linéaires ou à chaînes ramifiées :   plus grande tendance à la fragmentation  pic moléculaire faible

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   Rupture simple = rupture d’une liaison σ  A partir d’un ion radical, une rupture simple donne ion + radical  Exemple : propane clivage de deux façons Fragmentation donnant m/z = 29 préférentielle   Formation d’un cation plus stable  pic à m/z = 29 plus intense que celui à m/z = 15

 Présence d’un hétéroatome N, O, S, X : « localisation » de la charge V.4.2.2 - Ruptures   Présence d’un hétéroatome N, O, S, X : « localisation » de la charge  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 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 Certains pics ne peuvent être attribués à une fragmentation simple ORIGINE : Recombinaison de certains ions fragments  pics de réarrangement Réarrangement = fragmentation complexe A la fois rupture et création de liaisons Fragmentations avec réarrangement favorisées par Etat transitoire à 6 centres

a - Réarrangement de McLafferty Pour des ions comportant une liaison C=O ou C=C avec existence d’un H en  de l’insaturation Exemple  Transfert de H sur le site ionisé par l’intermédiaire d’un mécanisme à six centres  Elimination d’une molécule neutre d’éthylénique  Formation d’un nouveau cation radical

b - Réaction rétro-Diels-Alder Cyclohexènes Fragmentation possible via une réaction rétro-Diels-Alder

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   Carbocation plus substitué  + stable  Cas du néopentane  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  Spectres de masse facilement interprétables  Pic parent toujours important : ion moléculaire fortement stabilisé pour le cycle aromatique

Pics caractéristiques a - Le benzène Fragmentations du benzène Pics caractéristiques  m/z = 77 : [M-H]+ m/z = 51 : C4H3+ [77 – 26 (acétylène)] m/z = 39 : ion cyclique C3H3+ [51-12]

etc … comme pour le benzène b - Les benzènes monosubstitués Clivage  Substituant ≠ alkyle Perte du substituant  cation phényle à m/z = 77 etc … comme pour le benzène

Fragmentation prépondérante : Rupture en  du cycle aromatique 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 V.5.1.5 - Alcools  Pic parent souvent faible  Fragmentation la plus importante : perte d’un groupe alkyle, préférentiellement le plus volumineux

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

V.5.1.6 - Aldéhydes Clivage α Clivage 

Si H en  de l’insaturation Réarrangement de McLafferty   fragment de masse 44 indiquant bien la fonction aldéhyde

FIN DU CHAPITRE V FIN DU COURS