05 Spectrometrie de Masse PDF [PDF]

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Complément - Chapitre 5 Spectroscopie Spectrométrie de masse La spectrométrie de masse diffère de tous les autres types de spectroscopie abordés dans ce chapitre, car elle n’est pas fondée sur les transitions entre différents états d’énergie. Le spectromètre de masse transforme les molécules en ions et les trie selon le rapport de la masse sur la charge (m/z). De plus, il évalue la quantité relative de chacun des ions présents. Un petit échantillon de la substance est introduit dans une chambre à vide où il est vaporisé et bombardé avec des électrons hautement énergétiques. Ce bombardement d’électrons peut arracher un électron d’une molécule M et produire un cation radicalaire appelé ion moléculaire M+  (parfois désigné comme ion parent). En spectrométrie de masse, l’ion moléculaire ou ion parent est un cation radicalaire ayant la même masse que la molécule neutre, mais avec un électron en moins. M + é → M+ • + 2 é

(équation 5.a)

Ion moléculaire

Le méthanol, par exemple, forme un ion moléculaire de la manière suivante : CH3OH + é → [CH3OH] + • + 2é

(équation 5.b)

Ion moléculaire méthanol (m/z = 32)

Le faisceau formé par ces ions parents passe entre les pôles d’un aimant puissant qui le fait dévier (voir la figure 5.a). L’amplitude de cette déviation est liée à la masse de l’ion. Comme M+  possède une masse presque identique à celle de la molécule M (la masse de l’électron arraché étant négligeable par rapport à celle de la molécule), on peut utiliser un spectromètre de masse pour déterminer la masse moléculaire.

Chapitre 5 – Complément © 2008 Les Éditions de la Chenelière inc.

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Figure 5.a Représentation schématique d’un spectre de masse Tiré de : Vollhardt, KPC et Shore, NE. Traité de chimie organique 3e éd., DeBoeck Université p. 797.

Spectre de masse.

Il arrive souvent que les spectres de masse présentent un signal d’une ou de deux unités de masse de plus que celle de l’ion moléculaire. Comment cela est-il possible? Souvenons-nous que l’abondance naturelle de l’isotope 13C (une unité de masse plus élevée que le 12C) est d’environ 1,1 %. La présence d’isotopes donne naissance à un signal (M + 1) +  des composés carbonés. L’intensité de ce signal par rapport au signal de M+  est environ 1,1 % fois le nombre d’atomes de carbone présents dans le composé (parce que la probabilité de trouver un atome de 13C dans un composé est proportionnelle au nombre d’atomes de carbone présents).

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Exercice 5.a Un alcane présente un signal de M+  à m/z = 114. Quelle est sa formule moléculaire? Quelle sera l’intensité relative des signaux 115/114 ? D’autres signaux d’isotopes peuvent aussi être utiles. Par exemple, le chlore est constitué d’un mélange des isotopes 35Cl (75 %) et 37Cl (25 %) ; le brome, d’un mélange 50:50 de 79 Br et de 81Br. À un monochloroalcane correspondra donc deux signaux de l’ion parent, se distinguant par deux unités de masse et ayant un rapport d’intensité de 3:1. Les monobromoalcanes présentent aussi deux signaux à leur ion parent, différenciés par deux unités de masse, mais ayant un rapport d’intensité de 1:1. Ces signaux d’isotopes sont utiles pour renseigner sur la structure, comme on le constate dans l’exemple 5.a. Exemple 5.a Dans le spectre d’un bromoalcane, il y a deux signaux d’intensité égale pour l’ion parent à m/z = 136 et 138. Déduisez sa formule moléculaire. Solution Un seul atome de Br peut être présent (la masse moléculaire n’est pas assez élevée pour correspondre à deux atomes de brome). Il faut faire l’opération 136 – 79 (ou 138 – 81) pour obtenir 57, le chiffre qui représente la masse des atomes de carbone et des atomes d'hydrogène. En divisant 57 par 12 (la masse du carbone), on obtient 4, et il reste 9, le chiffre qui représente la masse des atomes d'hydrogène. La formule est donc C4H9Br. Exercice 5.b Un composé contenant uniquement des atomes de C, H et Cl donne des signaux de l’ion parent à m/z = 74 et 76 dans un rapport de 3:1. Proposez des structures possibles de ce composé. Si les électrons qui bombardent les molécules ont assez d’énergie, ils produisent non seulement des ions parents, mais aussi des fragments appelés ions filles. En effet, l’ion moléculaire d’origine se scinde en fragments plus petits, dont certains sont ionisés et sont triés par le spectromètre sur la base de leur rapport m/z. Les ions filles, les fragments plus petits produits par la fragmentation d’un ion parent, sont présents dans les profils de bandes typiques de certaines structures moléculaires dans un spectre de masse. Le signal prépondérant du spectre de masse du méthanol, par exemple, est le signal M+ 1 à m/z = 31. Ce signal tire son origine d’un ion moléculaire qui a perdu un atome d’hydrogène.

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H

H C H

m/z = 32

O

H

H

C

+

O

H

+

H

H

m/z = 31

(équation 5.c)

On constate que cet ion fille est le formaldéhyde sous sa forme protonée (CH2OH+). Le spectre de masse consiste alors en une série de signaux d’intensité variable à différents rapports de m/z. En pratique, la plupart des ions portent une charge unitaire (z = 1), de sorte qu’il est facile d’évaluer leur masse, m. La figure 5.b illustre un spectre de masse comme celui qu’un ordinateur couplé à un spectromètre tracerait. Il s’agit du spectre de masse d’une cétone typique, l’octan-4-one. Figure 5.b Spectre de masse de l’octan-4-one

Le signal à m/z = 128 est le signal de masse le plus intense du spectre (celui de la masse la plus élevée) et correspond à la masse moléculaire de la cétone. Par ailleurs, certains signaux d’ions filles sont visibles. Par exemple, les signaux à m/z = 85 et m/z = 71 correspondent respectivement à la masse de C4H9CO+ et de C3H7CO+. Ces données laissent croire que la fragmentation de l’ion parent la plus facilement réalisable se produit par un bris de la liaison carbone–carbone adjacente au groupe carbonyle.

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Les modes de fragmentation d’ions varient selon la structure de l’ion : c’est pourquoi on peut apprendre beaucoup sur la structure des molécules en interprétant les spectres de masse et en déduisant les profils de fragmentation. Exemple 5.b Le signal le plus intense (appelé pic de base) de la figure 5.b apparaît à m/z = 43. Expliquez sa provenance. Solution Ce signal correspond au m/z de C3H7+, ce qui suggère que l’ion fille C3H7CO+ perd un monoxyde de carbone pour donner C3H7+. Cette explication est encore plus plausible en constatant que le spectre contient aussi un signal intense à m/z = 57 qui correspond à la structure dérivée d’un processus analogue appliqué à C4H9CO+. Ces conclusions sont résumées dans le schéma suivant illustrant l’« arbre généalogique » des ions : _

C3H7

C4H9CO + (85)

C8H16O M + (128)

_

C4H9

C3H7CO + (71)

_

_

CO

C4H9 + (57)

CO

C3H7 + (43)

Exercice 5.c En quoi le spectre de masse du heptan-4-one est-il semblable ou différent de celui de la figure 5.b ? Jusqu’à récemment, on ne pouvait pas étudier les biomolécules volumineuses comme les protéines en spectrométrie de masse (SM), car ces grosses molécules polaires sont non volatiles et difficiles à transformer en ions moléculaires gazeux. Cependant, de nouvelles techniques comme l’ionisation par désorption laser assistée par matrice (MALDI, de l’anglais Matrix-Assisted Laser Desorption Ionization) et la nébulisation électrostatique (ESI, de l’anglais Electrospray Ionization) ont permis de résoudre ces difficultés. La SMMALDI produit souvent un ion moléculaire portant une charge positive. Par conséquent, le rapport m/z de cet ion moléculaire aboutit à la masse moléculaire de la biomolécule. Les ions moléculaires produits par SM-ESI se forment généralement par l’addition de protons (H+) à la molécule, et les ions qui en résultent ont habituellement plus d’une charge positive. En conséquence, ces ions ont un plus petit rapport masse sur charge (m/z), typique des petites molécules, ce qui est avantageux puisque les spectromètres de masse sont plus sensibles dans cette plage. La même molécule forme des ions moléculaires avec différentes charges, comme dans le cas du spectre SM-ESI de la chaîne

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α de l’hémoglobine humaine (voir la figure 5.c) 1 . La SM-ESI a servi à étudier une vaste gamme de macromolécules dont notamment les protéines, l’ADN, des polymères synthétiques et les fullerènes. Même les complexes non liés par covalence donnent lieu à des ions intacts, si bien que cette technique permet d’étudier les interactions ADN– substance chimique et beaucoup d’autres complexes d’intérêt biologique. Figure 5.c Spectre SM-ESI de la chaîne α de l’hémoglobine humaine Réimpression avec la permission du Journal of Chemical Education, vol. 73, no 4, 1996, p. A82–A88. Tous droits réservés © 1996, Division of Chemical Education, Inc.

Les types de spectroscopie que nous avons décrits dans le chapitre 5 et ses compléments sont couramment utilisés dans les laboratoires de recherche. Grâce aux instruments de pointe, chaque type de spectre s’obtient dans un court laps de temps, de quelques minutes à quelques heures, le temps de préparation de l’échantillon compris. L’interprétation des spectres est parfois plus longue, mais avec l’expérience, il arrive souvent que les scientifiques déduisent la structure de molécules même complexes en un temps relativement court.

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La masse moléculaire est déterminée à partir de la relation mathématique entre les pics des ions. Pour de plus amples détails sur la SM-ESI, voir Hofstadler, S. A., R. Bakhtiar et R. D. Smith. « Electrospray Ionization Mass Spectrometry », J. Chem. Educ. 1996, 73, A82–A88.

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Solutionnaire des exercices du complément 5.a

Les alcanes possèdent des formules moléculaires CnH2n+2. Pour tous les alcanes, il y a : n (masse atomique du C) + (2n+2) (masse atomique de l’hydrogène) = m/z ratio des ions parents Pour l’alcane de cet exercice, on a : n (12) + (2n+2) (1) = 114 ⇒ 14 n = 112 et n = 8 La formule de l’alcane est donc C8H18. L’intensité du signal à m/z 115 sera de (1,1)(8), ou 9% de l’intensité du pic à m/z 114

5.b

Tout d’abord, il y a la présence d’un seul atome de Cl. Il faut faire l’opération 74 – 35 pour obtenir 39, la masse des atomes de carbone et des atomes d'hydrogène. En divisant 39 par 12 (la masse du carbone), on obtient 3, et il reste 3 (soit 39 – (2 x 12)), le chiffre qui représente la masse des atomes d'hydrogène. La formule est donc C3H3Cl. Cette molécule possède deux insaturations ou cycles, soit deux liaisons π ou une liaison π et un cycle. Les possibilités sont donc : 1) HC≡CCH2Cl 4)

5.c

Cl

2) H2C=C=CHCl 5)

3) CH3C≡CCl

Cl

Le pic de l’ion C7H14O+ apparaît à m/z = 114 (un groupement –CH2– de moins ou 14 unités de masse de moins que pour l’octan-4-one). De plus, la cétone est symétrique et peut se fragmenter en C3H7CO+ (m/z = 71) et en C3H7+ (m/z = 43). Une seule série d’ions filles sera observée contrairement aux deux séries d’ions filles observées à la figure 5.b.

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