Savoir faire parler un spectre de masse… Par tous les moyens… Séminaire AROME, 23 Avril 2010 Yann HAUTEVELLE, Yueming LU

Qu’est-ce qu’un spectre de masse ? I. Analyse du poids moléculaire Intro Qu’est-ce qu’un spectre de masse ? Introduction 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). I. Analyse du poids moléculaire Chromatographie en phase gazeuse Séparation des composés Spectrométrie de masse Identification des composés II. Analyse des fragments primaires Acquisition & traitement III. Applications et utilisations

Identification Intro Qu’est-ce qu’un spectre de masse ? Introduction chromatogramme I. Analyse du poids moléculaire spectre de masse II. Analyse des fragments primaires Identification – comparaison avec des spectres publiés – interprétation du spectre de masse III. Applications et utilisations

Intro Qu’est-ce qu’un spectre de masse ? Introduction chromatogramme I. Analyse du poids moléculaire spectre de masse II. Analyse des fragments primaires Technique assez limitée. Pas forcément possible de déterminer un composé avec certitude mais possibilité d'obtenir certaines informations sur la structure moléculaire. – interprétation du spectre de masse III. Applications et utilisations

Un spectre de masse est constitué : Intro Qu’est-ce qu’un spectre de masse ? Introduction chromatogramme I. Analyse du poids moléculaire spectre de masse Un spectre de masse est constitué : II. Analyse des fragments primaires Ion moléculaire Fragments primaires & secondaires III. Applications et utilisations

Intro Ion moléculaire : n-C14 L’ion moléculaire Introduction 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 30 40 50 60 70 80 90 100 26 97 54 69 m/z Maleimide (Origine : chlorophylle) I. Analyse du poids moléculaire m/z 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 n-C14 57 43 71 85 99 113 198 127 141 155 169 Faible intensité  molécule très fragmentée II. Analyse des fragments primaires III. Applications et utilisations

Intro Ion moléculaire : L’ion moléculaire Introduction 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 30 40 50 60 70 80 90 100 26 97 54 69 m/z Maleimide (Origine : chlorophylle) I. Analyse du poids moléculaire m/z II. Analyse des fragments primaires Forte intensité  molécule peu/pas fragmentée m/z(Ion moléculaire) /2  double ionisation (z = 2) III. Applications et utilisations

Intro n-C14 (C14H30) Fragments primaires & secondaires Introduction 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. Possibilité de fragmentations secondaires (fragmentation des fragments). I. Analyse du poids moléculaire Présence d’amas au lieu de pics individuels (perte de protons ou présence d'isotopes plus lourds, dans le cas d’hydrocarbures : 2H, 13C). n-C14 (C14H30) 57 43 71 85 99 113 198 127 141 155 169 183 M+-14 II. Analyse des fragments primaires M+-15 M+-14 M+-14 III. Applications et utilisations 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 m/z

Tableau des poids moléculaires Présentation du tableau des poids moléculaires Introduction Tableau des poids moléculaires Donne pour chaque poids moléculaire les formules brutes possibles pour les hydrocarbures I. Analyse du poids moléculaire II. Analyse des fragments primaires III. Applications et utilisations

Tableau des poids moléculaires Présentation du tableau des poids moléculaires Introduction Tableau des poids moléculaires I. Analyse du poids moléculaire Etude du poids moléculaire  Possibilité d’avoir des informations importantes sur la structure moléculaire. II. Analyse des fragments primaires III. Applications et utilisations

I. Analyse du poids moléculaire Exemple du n-C14 Introduction n-C14 57 43 71 85 99 113 198 127 141 155 169 m/z I. Analyse du poids moléculaire Pour M+ = 198, 2 formules brutes possibles : C14H30 & C15H18 II. Analyse des fragments primaires  La bonne formule : C14H30 Pour ce composé aliphatique, on utilise la première colonne. III. Applications et utilisations

Exemple du phénanthrène I. 03 Exemple du phénanthrène Introduction m/z Pour M+ = 178, 2 formules brutes possibles: C13H22 & C14H10 I. Analyse du poids moléculaire  La bonne formule : C14H10 II. Analyse des fragments primaires Pour ce composé aromatique, on utilise la dernière colonne III. Applications et utilisations

I. Analyse du poids moléculaire Exemple du pristane Introduction m/z 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 57 71 43 85 113 99 183 127 155 141 268 Pristane I. Analyse du poids moléculaire Pour M+ = 268, 3 formules brutes possibles : C19H40 & C20H28 & C21H16 II. Analyse des fragments primaires  La bonne formule : C19H40 Pour ce composé aliphatique, on utilise à nouveau la première colonne III. Applications et utilisations

Exemple du 4,5-méthanochrysène I. Analyse du poids moléculaire Introduction I. Analyse du poids moléculaire C19H12 formule brute d’un composé très aromatisé. II. Analyse des fragments primaires 4,5-méthanochrysène Pour ce composé aromatique, on utilise à nouveau la dernière colonne III. Applications et utilisations

 Deux règles générales d’utilisation du tableau Introduction  Deux règles générales d’utilisation du tableau Règle 1 : Les composés complètement saturés sont en bas de colonne. Exemples du n-C14, pristane Correspond aux aliphatiques linéaires éventuellement ramifiés. I. Analyse du poids moléculaire Phénan- thrène CnH2n+2 M = 12n + 2n + 2 = 14n + 2  n = (M-2)/14 4,5- méthano- chrysène II. Analyse des fragments primaires n-C14 Pristane Les composés les plus insaturés sont en haut de colonne. Exemples du phénanthrène & 4,5-méthanochrysène Correspond aux composés à forte aromaticité. III. Applications et utilisations

 Deux règles générales d’utilisation du tableau Introduction  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 I. Analyse du poids moléculaire Tétradécane Aliphatique première colonne Cadalène Aromatique dernière colonne II. Analyse des fragments primaires III. Applications et utilisations

Indices d’insaturation Introduction Haut de colonne : complètement insaturé (aromatisé) I = max I = 9 I = 5 Méthylionène I. Analyse du poids moléculaire I = 2 Bas de colonne : complètement saturé I = 0 I = 1 II. Analyse des fragments primaires 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. III. Applications et utilisations I = 1 I = 4 I = 7

I. 09 Composé aliphatique Exemple de la fichtélite (Norabiétane) Introduction Fichtélite 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 81 95 109 163 123 55 69 262 137 41 149 219 247 179 191 m/z I. Analyse du poids moléculaire Composé aliphatique  utilisation de la première colonne C19H34 I = 3 : tricyclique II. Analyse des fragments primaires Norditerpane tricyclique (information importante en paléochimiotaxonomie) I = 3 III. Applications et utilisations

I. 10 Composé aromatique Exemple du rétène Rétène Introduction 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 219 234 205 189 95 110 178 165 153 Rétène (équivalent aromatique de la fichtélite) I. Analyse du poids moléculaire m/z Composé aromatique utilisation de la deuxième colonne: C18H18  I = 10 : triaromatique II. Analyse des fragments primaires I = 10 Bisnorditerpénoïde triaromatique (information importante en paléochimiotaxonomie) III. Applications et utilisations

I. 11 Composé aromatique Exemple de la simonellite Simonellite Introduction 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 240 250 237 252 195 165 178 153 111 m/z Simonellite (intermédiaire entre la fichtélite et le rétène) I. Analyse du poids moléculaire Composé aromatique utilisation de la deuxième colonne C19H24  I = 8 : 1 cycle saturé + 2 cycles aromatiques II. Analyse des fragments primaires I = 8 Norditerpénoïde tricyclique diaromatique (information importante en paléochimiotaxonomie) III. Applications et utilisations

I. 12 Composé aliphatique Exercice °1 Introduction Spectre d’un composé présent dans la fraction aliphatique I. Analyse du poids moléculaire 439 (M+-15) (PHILP, 1985) Composé aliphatique utilisation de la première colonne C33H58  I = 5 : 5 cycles saturés II. Analyse des fragments primaires I = 5 Triterpane pentacyclique - trishomohopane III. Applications et utilisations

I. 13 Composé aromatique Exercice °2 Introduction Spectre d’un composé présent dans la fraction aromatique I. Analyse du poids moléculaire (Hussler et al, 1984) Composé aromatique deuxième et troisième colonnes utilisables I = 9 ou 16 (9 préférable) C33H50 5 cycles saturés + 1 cycle aromatique I = 9 I = 16 II. Analyse des fragments primaires peu probable Triterpane hexacyclique monoaromatique - C33 benzohopane III. Applications et utilisations

 structure moléculaire II. 01 Proportion relative des fragments & structure moléculaire Introduction Proportion relative des fragments dépend de la manière dont se fragmente la molécule  structure moléculaire Fragment généré en faible abondance  faible proportion du m/z correspondant. I. Analyse du poids moléculaire Fragment généré en forte abondance  forte proportion du m/z correspondant. n-C14 57 43 71 85 99 113 198 127 141 155 169 m/z 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 219 234 205 189 95 110 178 165 m/z Rétène II. Analyse des fragments primaires III. Applications et utilisations

 structure moléculaire II. 02 Généralités sur l’étude des fragments Introduction Proportion relative des fragments dépend de la manière dont se fragmente la molécule  structure moléculaire Pas de méthodologie applicable directement, basé sur l’expérience Exemple: les fragments récurrents m/z 123  diterpanes m/z 109  norditerpane m/z 159  composés aromatiques I. Analyse du poids moléculaire Calamenène 159 II. Analyse des fragments primaires 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 III. Applications et utilisations

II. 03 Exemple du pristane Introduction n-C14 57 43 71 85 99 113 198 127 141 155 169 m/z Modèle de base pour les composés aliphatiques linéaires ramifiés Présence de ramification augmente la probabilité de fragmentation I. Analyse du poids moléculaire m/z 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 57 71 43 85 113 29 99 183 127 155 141 268 Pristane 113 113 183 II. Analyse des fragments primaires Intensité relativement importante à m/z 113 & 183 III. Applications et utilisations Ces fragments permettent de positionner les ramifications sur la structure linéaire

II. 04 Exemple des hopanes Modèle de base pour les hopanes C30-hopane Introduction 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 191 97 69 123 149 207 175 397 281 369 231 55 259 412 83 m/z Modèle de base pour les hopanes C30-hopane I. Analyse du poids moléculaire n-C14 57 43 71 85 99 113 198 127 141 155 169 m/z 191 369 II. Analyse des fragments primaires 2 fragments 191 générés  forte intensité à m/z 191 Un fragment m/z 369  4 cycles naphténiques + 1 cycle penténique III. Applications et utilisations Fragments m/z 55,69,83,97  caractéristiques des composés aliphatique cycliques

II. 05 Exemple du C31-hopane C31-hopane 191 205 Introduction 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 I. Analyse du poids moléculaire 191 205 II. Analyse des fragments primaires III. Applications et utilisations

II. 06 Exemple du C32-hopane C32-hopane 191 219 m/z Introduction 191 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 95 81 55 109 123 149 163 177 369 205 I. Analyse du poids moléculaire 191 219 II. Analyse des fragments primaires m/z III. Applications et utilisations

II. 07 Exemple du C33-hopane C33-hopane 191 233 191 233 m/z Introduction C33-hopane 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 55 69 81 95 109 121 137 149 163 177 191 205 219 233 247 257 I. Analyse du poids moléculaire 191 233 II. Analyse des fragments primaires m/z III. Applications et utilisations

II. 08 Exemple du C34-hopane C34-hopane 191 247 191 247 m/z Introduction C34-hopane 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 55 81 95 109 123 149 163 191 205 233 247 259 369 219 I. Analyse du poids moléculaire 191 247 II. Analyse des fragments primaires m/z III. Applications et utilisations

II. 09 Exemple du C35-hopane C35-hopane 191 261 191 261 m/z Introduction C35-hopane 191 261 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 95 81 55 109 123 149 163 177 369 205 219 233 247 191 I. Analyse du poids moléculaire 261 II. Analyse des fragments primaires m/z III. Applications et utilisations

αβ Configuration "géologique" II. 10 Isomérisation des C32-hopanes Introduction 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 219 191 95 81 55 109 123 149 163 177 369 205 281 233 αβ C32-hopane αβ Configuration "géologique" I. Analyse du poids moléculaire βα C32-hopane (C32 morétane) 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 219 191 95 81 55 109 123 149 163 177 369 205 281 233 βα Configuration intermédiaire II. Analyse des fragments primaires 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 219 191 95 81 55 109 123 149 163 177 369 205 281 233 ββ C32-hopane ββ Configuration "Biologique" III. Applications et utilisations m/z

II. 11 Les différentes structures de triterpanes pentacycliques Introduction 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 191 97 69 123 149 207 175 397 281 369 231 55 259 412 83 m/z 369 I. Analyse du poids moléculaire 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 191 97 69 123 149 207 175 397 281 369 231 55 259 412 83 m/z X X m/z Gammacérane II. Analyse des fragments primaires 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 Friédélane 412 149 69 95 43 204 259 123 233 179 288 395 Pas de 191 369 III. Applications et utilisations

III.01 Application N°1 Introduction Composé inconnu présent dans la fraction aromatique de pyrolysats de nombreux conifères 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 159 173 128 143 115 215 91 77 105 m/z I. Analyse du poids moléculaire I = 5 I = 12 I = 5 & I = 12 sont cohérents avec l’aromaticité du composé mais I = 12 peu probable pour un composé en C18. II.Analyse des fragments primaires  C17H26 avec I = 5  Trisnorditerpénoïde avec 1 noyau aromatique (I = 4).  Reste 1 degré d’insaturation à pourvoir (cycle saturé supplémentaire). III. Applications et utilisations  Trisnorditerpénoïde bicyclique monoaromatique

III.02 Application N°1 Introduction Composé inconnu présent dans la fraction aromatique de pyrolysats de nombreux conifères 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 159 173 128 143 115 215 91 77 105 m/z Trisnorditerpénoïde bicyclique monoaromatique - 71 (5 C) I. Analyse du poids moléculaire II. Analyse des fragments primaires  2 cycles (10 atomes de C)  reste à placer 7 C Perte de 5 atomes de C (-C5H11)pour former le fragment caractéristique m/z 159 Par expérience, m/z 159 correspond 1 noyau aromatique + 1 cycle naphténique + 2 méthyl périphériques III. Applications et utilisations

III.03 Application N°1 Introduction Composé inconnu présent dans la fraction aromatique de pyrolysats de nombreux conifères 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 230 159 173 128 143 115 215 91 77 105 m/z Trisnorditerpénoïde bicyclique monoaromatique I. Analyse du poids moléculaire - 71 (5 C) II.Analyse des fragments primaires Diterpénoïde bicyclique  faible diversité dans la nature  les labdanes sont largement les plus abondants. Vraisemblablement ‘labdane monoaromatique’ Composé spécifique de conifère mais jamais décrit dans la littérature. III. Applications et utilisations

III.04 Application N°2 Introduction Composé inconnu présent dans la fraction aromatique de pyrolysats de nombreux conifères m/z 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 169 153 128 141 115 I. Analyse du poids moléculaire 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. II.Analyse des fragments primaires  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. III. Applications et utilisations Disnorditerpénoïde tétracyclique monoaromatique ou biaromatique

III.05 Application N°2 Introduction Composé inconnu présent dans la fraction aromatique de pyrolysats de nombreux conifères m/z 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 169 153 128 141 115 Disnorditerpénoïde tétracyclique monoaromatique ou biaromatique I. Analyse du poids moléculaire 71 (-C5H11) Béyérane monoaromatique Kaurane Phyllocladane Tétracyclique monoaromatique : Seul le cycle A peut être aromatisé II.Analyse des fragments primaires Supporté par leur abondance dans les Araucariaceae Biaromatique : Labdane biaromatique Supporté par l’abondance du fragment m/z 169 (M+-71) III. Applications et utilisations

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