Spectrometrie de Masse [PDF]

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SPECTROMETRIE DE MASSE

 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

INTRODUCTION • La spectrométrie de masse consiste à bombardé une substance chimique par un faisceau d’électron (flux d’électron d’énergie assez élevée). Il y a ionisation et fragmentation de la molécule.

•

M

+

e-

M+. + M+1



M+2

2 eM+3 ……

Ionisation Fragmentation

Ionisation: Arrachement d’un e- à un molécule . La molécule devient instable elle va se casser facilement c’est la fragmentation.

HISTORIQUES 1898 : W. Wien a montré qu'un flux d'ions peut-être dévié par un champ électrique et magnétique. 1912 : J.J. Thomson obtient des spectres de masse de O2, N2, CO, CO2, COCl2. Il observe des ions négatifs et des ions à charges multiples, découvre les ions métastables. En 1913, il montre l'existence de 2 isotopes du néon 20 et 22. Prix Nobel de physique en 1906. 1918 : A.J. Dempster construit le premier spectromètre à aimant en forme de secteur (180°) à focalisation directe. 1919 : F.W. Aston construit le premier spectromètre de masse à focalisation de vitesse. En 1923, il mesure les défauts de masse. Prix Nobel de chimie en 1922. 1952 : Théorie du quasi équilibre expliquant la fragmentation monomoléculaire des ions. R.A. Marcus recoit le Prix Nobel de chimie en 1992. 1958

: Premières spectrmètres couplés à la GC

 La spectrométrie de masse désigne une méthode d’analyse qui repose sur la détermination des masses des espèces atomiques ou moléculaires individuelles de l’échantillon analysé.  Cette détermination permet d’obtenir des informations sur la nature, la composition et même la structure des analytes.

 Une très petite quantité de composé analysé sous forme convenable (gazeuse ou assimilée), est ionisée.  Les espèces porteuses de charges électriques qui en résultent sont soumises à l’action d’un champ électrique et/ou magnétique selon l’appareil utilisé.  L’étude des trajectoires permet de déterminer le rapport masse/charge des ions et éventuellement leur nature.  Le résultat de l’analyse, présenté souvent sous forme d’un graphe représentant l’abondance statistique de chaque ion formé en fonction du rapport m/z s’appelle le spectre de masse.

APPLICATIONS PRATIQUES  Biologie : Détermination de Masses molaires pour des macromolécules comme les protéines  Etudes de pollution de l’environnement

 Sensibilité AVANTAGES DE LA TECHNIQUE  Sélectivité  Rapidité

PRINCIPE

Analyse de fragments moléculaires obtenus par ionisation

impact électronique

ionisation chimique

SM Impact électronique SM – IE  L’ionisation par impact électronique est le procédé le plus utilisé dans les couplages avec la chromatographie en phase gazeuse.  L’ionisation est provoquée par des collisions avec des électrons produits par effet thermo-ionique. Lors du choc avec une molécule neutre, il y a arrachement d’un de ses électrons, ce qui conduit à un ion porteur d’une charge élémentaire positive. Ce procédé est reproductible.  L’énergie d’ionisation est d’environ 70 eV ; elle est obtenue par accélération des électrons par une différence de potentiel de 70 V. Ce procédé est agressif et les molécules sont cassées en de nombreux fragments.  Une diminution de l’énergie d’ionisation permet d’augmenter l’intensité relative du pic de la masse moléculaire.

Spectre EI de l’ester méthylique de l’acide linolénique à deux énergies d’ionisation différentes, 70eV et 17eV (C17H29COOCH3, non saturé à trois doubles liaisons)

 Ionisation : A-B-C + 1e-  A-B-C+. + 2eA-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  l’intensité du pic correspondant

lié à

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.

1- Système d'introduction de l’échantillon 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

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

Ionisation d’une molécule M

 ion moléculaire positif

Molécule neutre, électrons appariés Par ionisation

 Formation d’un radical





Ion moléculaire M+. : ion radical M + e-

M+. + 2e-

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

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

H 2r 2 m/ z = 2V

V : tension d'accélération H : champ magnétique

r : rayon de la trajectoire de l’ion = rayon de courbure de l'électroaimant

2 2

H r m/ z = 2V

Détection de tous les ions produits (tous les m/z) : par variation de H ou de V

En général, balayage du champ magnétique

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

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

SPECTRE DE MASSE  A la sortie du détecteur, on collecte les ions :

- chargés positivement - vérifiant la condition

2 2

H r m/ z = 2V

(r : rayon de courbure de l'électroaimant)

 pic à une valeur m/z sur le spectre de masse

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 Le pic de base  Pic le plus intense du spectre  Ion le plus abondant

Le pic moléculaire ou pic parent  m/z = masse moléculaire

Les pics fragments

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

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

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

12C1H

4:

ion moléculaire à m/z = 16

- Benzamide C7H7NO Ion moléculaire M+. à m/z = 121

7

x

12C

=

84

7

x

1H

=

7

1

x

14N

=

14

1

x

16O

=

16

M

=

121

La spectrométrie de masse permet de déterminer la masse moléculaire d’une substance inconnue.

Parité de l’ion moléculaire REGLE DE LA PARITE ou Règle de l’Azote  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).

Identification du pic moléculaire et fragmentation en impact électronique

PARTIE I: PReconnaissance du pic de l’ion moléculaire Spectre de masse du méthanol obtenu par IE 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

La reconnaissance du pic de l’ion molLaéculaire pose assez souvent un problème • Il peut être très faible, ou ne pas apparaître du tout. • Comment le reconnaître? • Utiliser d’autres techniques d’ionisation  Diminuer l’énergie de l’impact électronique  Utiliser un gaz pour réaliser une ionisation dite “chimique”

SM Ionisation Chimique SM - IC  Ce mode d’ionisation résulte de la réaction des analytes avec des ions formés sous vide par bombardement d’électrons sur un gaz comme le méthane ou l’ammoniac. Ce gaz est introduit avec le composé dans la source de l’appareil.

Utiliser un gaz pour réaliser une ionisation dite “chimique” Butyl methacrylate

H2C=C(CH3)COO(CH2)3CH3

MW = 142

L’ion moléculaire apparaissant à m/z=143 correspond à MH+•

EI

CI / methane

CI / isobutane

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

Facteur 1 : Au sein d’une série homologue, l’intensité de l’ion moléculaire décroît lorsque la masse moléculaire augmente.

Ethane

Ethane

Pentane

Pentane

MW (g/mol)

30

72

Instrument IE (eV)

70

70

Relative abundance (%)

26.4

8.3

Facteur 2 : L’intensité relative du pic de l’ion moléculaire est plus forte pour les composés à chaîne linéaire que pour les composés ramifiés.

Butane- Pentane 2methyl

2-methylButane

Pentane

MW (g/mol)

72

72

Instrument IE (eV)

70

70

Relative abundance (%)

5.6

8.3

Facteur 3 : La présence d’un cycle aromatique ou d’une insaturation dans une structure provoque en général une augmentation de l’intensité du pic moléculaire.

PARTIE II: Etude de la fragmentation des molecules • Spectre de masse du méthanol obtenu par IE Fragments

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.

Influence de la stabilisation de la charge et du radical dans les fragments: Deux règles jouent un rôle déterminant: Règle de substitution (groupement alkyles): La fragmentation de l’ion moléculaire est favorisée au niveau des carbones les plus substitué (ramifié), en raison de la stabilisation des radicaux et des ions carbonium (effet inductif donneurs). Règle de délocalisation: la charge comme le radical portés par un atome de carbone en α d’une insaturation (position allylique ou benzylique) ou en α d’un hétéroatome portant une paire d’éléctron libres, sont stabilisés par délocalisation (mésomérie).

1ère étape  Ionisation d’une molécule M = expulsion d’un électron d’une liaison ou d’un doublet libre :

M + 1e-  M+. + 2eHétéroatomes  ionisation préférentielle sur l’un d’eux

 charge localisée sur l’hétéroatome En général, charge non localisée  utilisation de crochets [ ]

2ème étape

Ion radical formé → généralement fragmentation

 Cycles aromatiques, autres  Alcools, éthers et systèmes π conjugués et alcanes linéaires ou à cycloalcanes : chaînes ramifiées :  plus grande tendance  doubles liaisons, cycle et surtout cycle aromatique à la fragmentation stabilisent l’ion moléculaire  pic moléculaire faible  probabilité + grande de l’apparition du pic parent

 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 …

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 typeA1 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

Ruptures α  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: (type C) Rupture facile  Formation d’un ion acylium stabilisé par résonance

Généralement Molécule R-CO-R’ (cétone, acide, ester…) : 4 ions fragments RCO+ R’CO+ Fragments R+ et R’+ R+ minoritaires R’+

fragments majoritaires : ruptures radicalaires en α du carbonyle

b - Liaisons carbone-carbone adjacentes à un hétéroatom: (typeB)

 Rupture facile : cation résultant stabilisé par résonance

Pic de base : m/z = 72 perte de CH3 à partir de l’ion moléculaire

Réaction rétro-Diels-Alder (type D)

Cyclohexènes Fragmentation possible via une réaction rétro-Diels-Alder

Ruptures avec Réarrangements  Fragments dont l’origine ne peut être décrite par simple clivage des liaisons dans l’ion moléculaires, mais sont le résultat d’un réarrangement atomique intramoléculaire pendant la fragmentation.  Migration d’atome d’hydrogène dans les molécules qui contient un hétéroatome sont très courants.  Souvent associé avec l’élimination de petites molécules neutres stables, tells que le monoxyde de carbone, des oléfines, l’eau, l’ammoniac, le cyanure d’hydrogène, des cétènes ou des alcools.

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

Réarrangement de McLafferty

Pour des ions comportant une liaison C=O ou C=C avec existence d’un H en γ de l’insaturation

 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

Fragmentations de quelques classes chimiques Les hydrocarbures

Spectres de masse faciles à interpréter 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

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

Alcènes Fragmentation des alcènes → cation allylique stabilisé par résonance

Composés benzéniques

 Spectres de masse facilement interprétables  Pic parent toujours important : ion moléculaire fortement stabilisé pour le cycle aromatique

Benzène • • •

m/z = 77 : [M-H]+ m/z = 51 : C4H3+ [77 – 26(acétylène)] m/z = 39 : ion cyclique C3H3+ [51-12]

Les benzènes monosubstitués

Clivage α Substituant ≠ alkyle Perte du substituant →

cation phényle à m/z = 77

etc … comme pour le benzène

Clivage β Substituant = alkyle de type CH2-R Fragmentation prépondérante : Rupture en β du cycle aromatique "rupture benzylique" Perte d’un hydrogène ou d’un groupe R  cation tropylium C7H7+ à m/z = 91

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

R

- R' N

Amine: R

α

CH2

β

R'

N

Acétal :

R2

R2

O

O

R1 X = O ou

R

X

-

CH

R1

R

X

CH

R2

R2

S

R1

Alcool et Thiol :

O

- R1

C

Ether et Thioéther :

CH2

R

O

R1

R

H

X

CH

- R1

H

X

CH

R2

X = O ou S

R1

Cétones, esters :

- R1 C

R2

O

R2

C

O

R2

Aldéhydes

Clivage α

Clivage β

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

Pentanal (radical-cation)

 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