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SPECTROMETRIE DE MASSE
CHAPITRE V SPECTROMETRIE DE MASSE
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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)
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APPLICATIONS PRATIQUES
Biologie : Détermination de Masses molaires > (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
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Analyse de fragments moléculaires obtenus par ionisation
II - PRINCIPE Analyse de fragments moléculaires obtenus par ionisation impact électronique ionisation chimique
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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
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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.
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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
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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 ≈ 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
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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-
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ions fils ou fragments
Energie d’ionisation des molécules = 6-12 eV Energie des électrons accélérés = eV Excès d'énergie : sous forme d’énergie interne Fragmentation de l’ion moléculaire ou ion parent ions fils ou fragments
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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
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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)
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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Hexane Pic moléculaire ≠ pic de base
Ion moléculaire se fragmente facilement
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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
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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
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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
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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
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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.
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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).
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V.3 - Amas isotopique Abondances naturelles relatives des isotopes des éléments courants calculées / 100 (isotope majoritaire)
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Ces différents pics = Amas isotopique
Isotopes de faible abondance-Cas du carbone Exemple : CH4 13C1H m/z = pic M + 1 12C2H1H3 m/z = pic M + 1 13C2H1H3 m/z = 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
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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%
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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
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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= 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
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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%)
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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 M M+2 M+4 3 pics M, M+2 et M+4 intensités relatives 9:6:1
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Composés avec à la fois n atomes Cl et m atomes Br
Relation (a+b)n(c+d)m
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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
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Les liaisons faibles se coupent plus facilement.
V 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.
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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 [ ]
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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
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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 …
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Rupture simple = rupture d’une liaison σ
V 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
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Présence d’un hétéroatome N, O, S, X : « localisation » de la charge
V 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
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Généralement Molécule R-CO-R’ (cétone, acide, ester…) :
4 ions fragments RCO+ R’CO+ R+ R’+ Fragments R+ et R’+ minoritaires
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Exemple fragments majoritaires : ruptures radicalaires en α du carbonyle
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b - Liaisons carbone-carbone adjacentes à un hétéroatome
Rupture facile : cation résultant stabilisé par résonance
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Exemple Pic de base : m/z = 72
perte de CH3 à partir de l’ion moléculaire
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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
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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
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b - Réaction rétro-Diels-Alder
Cyclohexènes Fragmentation possible via une réaction rétro-Diels-Alder
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V.5 - Fragmentations de quelques classes chimiques
V Les hydrocarbures Spectres de masse faciles à interpréter V 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
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Cas de l’hexane : Pic parent à m/z = 86
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V 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
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V Alcènes Fragmentation des alcènes cation allylique stabilisé par résonance
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V.5.1.4 - Composés benzéniques
Spectres de masse facilement interprétables Pic parent toujours important : ion moléculaire fortement stabilisé pour le cycle aromatique
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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]
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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
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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
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Pic parent souvent faible
V Alcools Pic parent souvent faible Fragmentation la plus importante : perte d’un groupe alkyle, préférentiellement le plus volumineux
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Souvent, pic important à M-18
perte d'une molécule d'eau
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V Aldéhydes Clivage α Clivage
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Si H en de l’insaturation
Réarrangement de McLafferty fragment de masse 44 indiquant bien la fonction aldéhyde
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FIN DU CHAPITRE V FIN DU COURS
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