Spectrométrie de masse Atelier 1 : Identification du pic moléculaire et fragmentation en impact électronique

Objectifs Partie 1 : Identification du pic de l’ion moléculaire M+● Partie 2 : Etude de la fragmentation des molécules Ion moléculaire Fragments Spectre de masse du méthanol obtenu par IE

Mode d’ionisation : Impact électronique Des électrons sont accélérés par une différence de potentiel de 70 V environ et l’impact de ces électrons avec des molécules organiques gazeuses provoque leur ionisation. M + e-  M+● C’est * la méthode la plus utilisée; * celle qui donne le plus grand nombre de fragments.

Fragmentation en IE Partie 1 Partie 2 L’impact d’un électron très énergétique sur une molécule transforme cette dernière en radical-cation avec la perte d’un électron (Pic moléculaire M+●). Suivent une série de réarrangements ou fragmentations qui dépendent de la nature et de la structure de la molécule. Partie 1 Partie 2

Reconnaissance du pic de l’ion moléculaire PARTIE 1 Reconnaissance du pic de l’ion moléculaire Ion moléculaire Spectre de masse du méthanol obtenu par IE

Pourquoi rechercher le pic de l’ion moléculaire? Identification du pic de l’ion moléculaire Hypothèses Formule brute (Avec une quasi-certitude, si on est en SM de haute résolution) Nombre et nature des atomes constitutifs de la molécule Degré d’insaturation Hypothèses Formule développée

Comment reconnaître le pic de l’ion moléculaire? La reconnaissance du pic de l’ion moléculaire pose assez souvent un problème Il peut être très faible, ou ne pas apparaître du tout Comment le reconnaître? Certains pics peuvent être éliminés en tant qu’ions moléculaires possibles simplement sur base des exigences d’une structure raisonnable Si un pic candidat ion moléculaire est suivi de pics à M-3 à M-14, M-19 M-25, son attribution doit être remise en cause. M-15 (pertes d’un CH3) M-18 (perte d’H2O) M-31 (perte d’OCH3) son attribution est vraisemblable.

Quels facteurs déterminent l’intensité de l’ion moléculaire? 3 Facteurs donnés à titre d’exemple

Quels facteurs déterminent l’intensité de l’ion moléculaire? Au sein d’une série homologue, l’intensité de l’ion moléculaire décroît lorsque la masse moléculaire augmente. Ethane Pentane MW (g/mol) 30 72 Instrument IE (eV) 70 Relative abundance (%) 26.4 8.3 Pentane Ethane Pentane

Quels facteurs déterminent l’intensité de l’ion moléculaire? L’intensité relative du pic de l’ion moléculaire est plus forte pour les composés à chaîne linéaire que pour les composés ramifiés. Butane-2-methyl Pentane MW (g/mol) 72 Instrument IE (eV) 70 Relative abundance (%) 5.6 8.3 Butane- 2-methyl Pentane

Quels facteurs déterminent l’intensité de l’ion moléculaire? La présence d’un cycle aromatique ou d’une insaturation dans une structure provoque en général une augmentation de l’intensité du pic moléculaire.

Si on n’ arrive pas à reconnaître l’ion moléculaire … Utiliser d’autres techniques d’ionisation Diminuer l’énergie de l’impact électronique Utiliser un gaz pour réaliser une ionisation dite “chimique”

Diminuer l’énergie de l’impact électronique

Utiliser un gaz pour réaliser une ionisation dite “chimique” Butyl methacrylate MW = 142 EI CI / methane L’ion moléculaire apparaissant à m/z=143 correspond à MH+ CI / isobutane

Etude de la fragmentation des molécules PARTIE 2 Etude de la fragmentation des molécules Fragments Spectre de masse du méthanol obtenu par IE

Fragmentations d’ions moléculaires de masse paire ou impaire Ions-fragments Ion-moléculaire (A+●) Cation ( B+ ) Radical-cation (D+●) Nombre pair d’électrons Nombre impair d’électrons

Fragmentations d’ions moléculaires de masse paire ou impaire Ions-fragments Cation ( B+ ) Perte d’un radical Nombre pair d’électrons Ion-moléculaire (A+●) Radical-cation (D+●) Perte d’une molécule neutre et réarrangement Nombre impair d’électrons

Fragmentations d’ions moléculaires de masse paire ou impaire Ions-fragments Cation ( B+ ) C+ Nombre pair d’électrons Ion-moléculaire (A+●) E+ Radical-cation (D+●) F+● Nombre impair d’électrons

Fragmentations d’ions moléculaires de masse paire ou impaire Ion-moléculaire (A+●) de masse impaire Nombre impair d’atomes d’azote Règle valable pour tous les composés contenant du carbone, de l’hydrogène, de l’oxygène, de l’azote, du soufre, des halogènes, du phosphore, du bore, du silicium, de l’arsenic et des alcalino-terreux.

Fragmentations d’ions moléculaires de masse paire ou impaire Ion-moléculaire (A+●) de masse paire Nombre pair d’atomes d’azote (ou aucun atome d’azote) Règle valable pour tous les composés contenant du carbone, de l’hydrogène, de l’oxygène, de l’azote, du soufre, des halogènes, du phosphore, du bore, du silicium, de l’arsenic et des alcalino-terreux.

Fragmentations d’ions moléculaires de masse paire ou impaire Ions-fragments Nombre impair d’atomes d’azote Cation ( B+ ) de masse paire Ion-moléculaire (A+●) de masse impaire Radical-cation (D+●) de masse impaire

Fragmentations d’ions moléculaires de masse paire ou impaire Ions-fragments Nombre pair d’atomes d’azote (ou aucun atome d’azote) Cation ( B+ ) de masse impaire de masse paire Ion-moléculaire (A+●) Radical-cation (D+●) de masse paire

Mécanismes de fragmentation : règles de base Pourquoi s’attacher aux mécanismes de fragmentation ? Distribution des fragments Structure de la molécule étudiée Analyse basée sur les “règles de fragmentation” Règles de base Toutes les liaisons n’ont pas la même prédisposition à se couper Deux facteurs principaux favorisent le processus de fragmentation Les liaisons les plus faibles se coupent plus facilement Les fragments stables ont plus tendance à se former

Mécanismes de fragmentation : règles de base 2 options : Présenter les 8-9 règles générales de fragmentation, vraies pour toutes les classes de composés Présenter, pour chaque classe de composés, les règles spécifiques de fragmentation Présenter, à titre d’exemple : 3 modes de fragmentation menant à la formation d’un cation et d’un radical 2 modes menant à la perte de molécules neutres Choix opéré :

Fragmentation avec perte d’un radical Règle 1 : Toute liaison C-C peut se casser de deux manières : Un carbone ou l’autre emportant la charge positive Exemple 1 ●  + +● m/z = 57  ● Alcane en C8 possédant un C terciaire + m/z = 71

Fragmentation avec perte d’un radical Règle 1 : Toute liaison C-C peut se casser de deux manières : Un carbone ou l’autre emportant la charge positive Exemple 2  CH3● + m/z = 65 ● + CH3 Alcène en C4 m/z = 15

Fragmentation avec perte d’un radical Règle 1 : Toute liaison C-C peut se casser de deux manières : Un carbone ou l’autre emportant la charge positive Pic de base (Carbocation terciaire) Alcane en C8 possédant un C terciaire +●  m/z = 71 m/z = 57 (20%) Exemple 1 En général les deux possibilités sont observées, mais celle qui fournit le cation le plus stable est généralement favorisée

Fragmentation avec perte d’un radical Règle 1 : Toute liaison C-C peut se casser de deux manières : Un carbone ou l’autre emportant la charge positive Pic de base Alcène en C4  m/z = 65 CH3 m/z = 15 (< 10%) Exemple 2 En général les deux possibilités sont observées, mais celle qui fournit le cation le plus stable est généralement favorisée

Fragmentation avec perte d’un radical Règle 2 : Les aromatiques substitués par un groupement alkyle se caractérisent par un ion de masse 91. Il s’agit de l’ion tropyllium +●  CH2 R CH2 ou -R● L’ion tropyllium peut perdre à son tour de l’acétylène, ce qui provoque l’apparition d’un pic à m/z 65 - HC≡CH

Fragmentation avec perte d’un radical Règle 3 : La présence d’hétéroatomes entraîne des fragmentations préférentielles Lorsqu’il y a un hétéroatome (O,N,S) les liaisons C-C situées en alpha de l’hétéroatome sont facilement clivables, la charge tendant à rester sur le fragment contenant l’hétéroatome

Fragmentation avec perte de molécules neutres 1./ Réarrangement de type McLafferty Transfert à 6 centres, avec migration d’un atome d’H Possible si atome H en gamma d’une double liaison (>C=O ou >C=C<) Pentanal (radical-cation)

Fragmentation avec perte de molécules neutres 1./ Réarrangement de type McLafferty Fragments neutres : Propène & alcool insaturé Non visibles dans le spectre Pentanal (radical-cation)

Fragmentation avec perte de molécules neutres 1./ Réarrangement de type McLafferty + + Intensités relatives variables + + Pentanal (radical-cation)

Fragmentation avec perte de molécules neutres

Fragmentation avec perte de molécules neutres 2./ Réarrangement de type Rétro Diels-Alder dans les cycles non saturés Transfert à 6 centres, sans migration d’un atome d’H Clivage au niveau des 2 liaisons C-C en b par rapport à la double liaison du cycle + C +● +● m/z= 54 (M-28) Cyclohexène (82g /mol) Ethylène (28 g/mol)

Fragmentation avec perte de molécules neutres °+ m/z= 54 (M-28)

Conclusions 1./ Les règles données (intensité de l’ion moléculaire & fragmentation) constituent des EXEMPLES, et la liste est loin d’être exhaustive. 2./ Il existe d’excellentes références bibliographiques sur le sujet (voir annexe du syllabus) 3./ Dans ces références, on trouve deux outils particulièrement précieux pour l’identification des molécules * Tables de compositions possibles d’ions-fragments fréquemment observés dans les spectres * Tables de compositions possibles de molécules neutres et de radicaux formés lors de la fragmentation

Tables de compositions possibles d’ions-fragments fréquemment observés Ion (m/z) Composition possible* 15 CH3 29 C2H5, CHO 43 C3H7, C2H5N, CH3CO 57 C4H9, C2H5CO * Tous les fragments repris dans la table portent une charge unitaire +

Tables de compositions possibles de molécules neutres et de radicaux formés lors de la fragmentation Exemple : Ion-moléculaire à m/z=73 & ion-fragment à m/z=30  Masse du fragment perdu est de 73-30 = 43 Masse du fragment Composition possible* 15 CH3 29 C2H5, CHO 43 C3H7, HCNO, CH3CO 57 C4H9 * Tous ces fragments sont perdus sous forme d’espèces neutres (radicaux ou molécules) / Ils n’apparaissent pas dans le spectre