Spectroscopy SM UFMC, Essays (university) of Chemistry

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Chapitre III

Spectrométrie

de masse

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I. Introduction

La spectrométrie de masse est une technique d’analyse qui permet l’identification de composés organiques. Soit de composés connus par comparaison du spectre de masse obtenu avec une bibliothèque de spectres, soit de composés complètement inconnus. Son concept est simple, il consiste àbombarder le composépar un faisceau d’électrons. Le composéest ioniséet les ions résultants sont séparés selon leur rapport masse/charge. Le nombre d’ions de chaque unité m/z est enregistré sous forme de pic. Un spectre de masse représente l’intensité des pics en fonction de m/z.

II. Techniques d’ionisation

1 ) Technique d’ionisation en phase gazeuse : ce sont les techniques les plus utilisées :

a ) Ionisation par impact électronique IE:

Les molécules de l’échantillon en phase vapeur sont bombardées par des électrons très énergétiques (70 ev), ils éjectent un électron d’une molécule de l’échantillon en produisant un radical cation (ion moléculaire): M + ē M +˙^ + 2 ē L’énergie d’ionisation des composés organiques étant en général < 15 ev, l’excédant d’énergie reçue par la molécule (70 - 15) ev est dissipépar rupture de liaisons covalentes (E = 3 à 10 ev) : c’est la fragmentation. L’étude des différents fragments obtenus nous permet l’élucidation de la structure du composéétudié. Cette technique reste la plus utilisée, son seul inconvénient est que l’impact électronique est si puissant qu’il provoque une fragmentation si importante qu’il est parfois impossible d’observer le pic moléculaire. Dans ce cas, on a recours à une technique d’ionisation plus douce.

b) Ionisation chimique (IC) C’est une technique plus douce que l’IE. Un gaz réactif (méthane, isobutane, ammoniac) est introduit dans la source et il est ionisé.

Les molécules de l’échantillon entrent en collision avec les molécules ionisées du gaz (C 2 H 5 + , C 4 H 9 +….), cela conduit à une ionisation secondaire par transfert de proton en produisant un ion [M+1]+^ :

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La spectrométrie de masse par IC est intéressante uniquement pour l’identification du pic de base, donc la masse moléculaire, mais elle ne fournit pas d’informations sur la structure du fait de l’absence de fragments.

2) Techniques d’ionisation par désorption Ces techniques sont utilisées dans le cas de composés lourds non volatils, ces derniers passent directement d’une phase condensée à la phase vapeur sous forme d’ions.

a) Ionisation par désorption de champ (FD) Un électron arraché à l’échantillon et un cation est formé dont l’énergie excédentaire est faible pour produire une fragmentation. On observe principalement le pic de l’ion moléculaire. Pour les stéroïdes, c’est une bonne technique qui permet la détermination de leur masse molaire, car en IE et IC aucun pic moléculaire n’est observé pour ces composés. Exemple 02: Spectre du cholest-5-ène-3,16,22,26-tétrol.

b) Ionisation par bombardement d’atomes rapides (FAB) Les échantillons sont bombardés par des atomes de Xe ou Ar très énergétiques, ce qui permet de produire des ions positifs [M+1]+^ ou négatifs [M-1]-^ par déprotonation. Cette technique est utilisée pour la détermination de M, le reste du spectre est moins utile à cause de la présence d’ions générés par la matrice et qui masquent certains fragments. La FAB peut être intéressante pour les polysaccharides et les peptides, car les fragmentations se produisent au niveau des liaisons glycosidiques et peptidiques, offrant ainsi une méthode de séquençage de ces composés.

c) Ionisation-désorption par plasma C’est une technique très spécialisée et presque exclusivement employée avec un spectromètre à temps de vol.

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Les ions formés sont simplement, doublement ou triplement chargés, ils sont en général d’énergie faible pour produire une fragmentation, ils ne sont pas riches en information structurales.

Figure III.2 : Spectre de masse IE, IC et FD du cholest-5-ène-3,16,22,26-tétrol.

d) Désorption-ionisation laser Cette méthode est utilisée avec un spectromètre àtemps de vol (TOF) ou bien àtransformée de Fourrier (FT). Un faisceau laser pulsé est utilisé pour l’ionisation de l’échantillon. Deux types de lasers sont employés : un laser àCO 2 qui émet dans l’IR lointain et un laser néodyle/yttrium-aluminium- grenat (Nd/YAG) quadruplet en fréquence qui émet dans l’UV à 266 nm.

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Figure III.3 : Spectre de masse IE et ES du lactose.

Exemple 04 : Spectre ES d’un tétrapeptide Le spectre fait apparaitre le pic moléculaire (et de base) àm/z 391 et un pic à[M+23]+^ à413. Ainsi que plusieurs pics qui nous renseigne sur les différents acides aminés.

Figure III.4 : Spectre de masse ES du tétrapeptide VGSE.

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Tableau 01 : Résumé des techniques d’ionisations.

III - SPECTRE DE MASSE

Le spectre de masse est un diagramme qui représente :

• selon l'axe des abscisses : les rapports m/z des ions détectés (en impact électronique, z = 1 ; m/z s’exprime alors en Dalton).
• selon l'axe des ordonnées : l'abondance relative de ces ions, celle du pic le plus intense est fixée arbitrairement à100. Les différents types de pics observés dans un spectre de masse sont :
• Le pic de base : c’est le pic le plus intense du spectre. Il correspond à l'ion le plus abondant donc le plus stable.

Technique d’ionisation

Ions formés

Avantages Inconvénients

Impact Electronique IE

M+^ Possibilitéde recherche dans les bases de données. Informations structurales

M+^ parfois absent

Ionisation chimique IC

M+1,

M+18…

M+^ en général présent Peu d’informations structurales

Désorption de champ FD

M+^ Composés non volatils Equipement spécialisé

Bombardement d’atomes rapides FAB

M+1,

M+cation M+matrice

Composés non volatils Informations sur le séquençage

Interférences avec la matrice Difficulté d’interprétation

Désorption plasma M+^ Composés non volatils Interférences avec la matrice Désorption laser M+1, M+matrice

Composés non volatils Interférences avec la matrice

Thermospray M+^ Composés non volatils Dépassée Electrospray M+ M++ M+++

Composés non volatils Couplage possible avec la chromatographie Forme des ions Poly- chargés

Classes de composés limitées Peu d’informations structurales.

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Les composés suivants donnent en général des pics de l’ion moléculaire avec une facilité décroissante dans l’ordre : Composés aromatiques > alcènes conjugués > composés cycliques > sulfures organiques > alcanes linéaires courts. Cétones > amines > esters > éthers > acides carboxyliques > aldéhydes > amides > halogénures. L’ion moléculaire est souvent indétectable pour les alcools aliphatiques, les nitrites, les nitrates et les dérivés nitrés.

2 - Détermination d’une formule moléculaire

- Ion moléculaire et pics isotopiques : La masse de l’ion moléculaire correspond à la somme des masses entières des isotopes les plus abondants. Exemple 07: C 7 H 7 NO : pic moléculaire àm/z 121. 121 = 7(12) + 7(1) + 14(1) + 16(1) Ce pic est parfois entouréde pics àM+1 ou M+2 de faibles intensités, ils correspondent aux contributions isotopiques. On distingue trois catégories d’éléments : Les éléments mono isotopiques F, P, I….. Les éléments ayant un isotope très abondant ( > 98%) H, C, N, O Les éléments possédants deux isotopes abondants S, Cl, Br

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Tableau 02: Abondances relatives des isotopes des éléments courants. Elément Isotope Abondance relative

Isotope Abondance relative

Isotope Abondance relative

Carbone 12 C 98,90 13 C 1,

Hydrogène 1 H 99,9850 2 H 0,

Azote 14 N 99,634 15 N 0,

Oxygène 16 O 99,762 17 O 0,038 18 O 0,

Fluor 19 F 100

Silicium 28 Si 92,23 29 Si 4,67 30 Si 3,

Phosphore 31 P 100

Soufre 32 S 95,02 33 S 0,75 34 S 4,

Chlore 35 Cl 75,77 37 Cl 24,

Brome 79 Br 50,69 81 Br 49,

Iode 127 I 100

Bore 10 B 19 ,9 11 B 80 ,

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Le pic àM correspond àune molécule qui contient 35 Cl et celui àM+2 àune molécule qui contient 37 Cl, leurs intensités relatives correspondent à75 et 25 respectivement. Le pic àM+1 correspond àune molécule qui contient le 35 Cl et un 13 C (ou un 2 H). Le pic àM+3 correspond àune molécule qui contient le 37 Cl et un 13 C (ou un 2 H). Le pic àM+4 correspond àune molécule qui contient le 37 Cl et un 18 O (ou deux 13 C ou un 13 C et un 2 H).

Cas d’une molécule contenant un atome de brome

Le pic àM correspond àune molécule contenant du 79 Br, celui àM+2 àune molécule contenant du 81 Br. Le pic àM+1 correspond àune molécule contenant un 79 Br et un 13 C (ou un 2 H). Le pic àM+3 correspond àune molécule contenant un 81 Br et un 13 C (ou un 2 H). Le pic àM+4 correspond àune molécule contenant un 81 Br et un 18 O (ou deux 13 C ou un 13 C et un 2 H).

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- Exploitation des ions fragments Les facteurs influençant le processus de fragmentation sont les suivants :

• Les liaisons faibles se coupent plus facilement.
• Les fragments stables ont tendance àse former plus facilement.
• Les fragmentations avec réarrangement sont favorisées si la molécule possède un état transitoire à6 centres.

Réarrangement de McLafferty : H en γ d’une insaturation.

3- Fragmentations caractéristiques de quelques classes chimiques :

3.1 - Les hydrocarbures aliphatiques La fragmentation des hydrocarbures a lieu par clivage homolytique. Pour tous les hydrocarbures linéaires, les ions 43 et 57 sont les pics les plus intenses du spectre car ils correspondent aux cations les plus stables.

Ion R+^ CH 3 +^ CH 3 -CH 2 +^ CH 3 -CH 2 -CH 2 +^ CH 3 -CH 2 -CH 2 -CH 2 + m/z 15 29 43 57

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3.3 - Les composés benzéniques

Ces composés donnent des spectres de masse facilement interprétables. Le pic moléculaire est toujours intense car l’ion moléculaire est fortement stabilisé.

a- Le benzène

Les fragmentations du benzène produisent des ions caractéristiques :

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

b - Les benzènes monosubstitués

• Clivage α Si le substituant n’est pas un alkyle, les benzènes monosubstitués perdent fréquemment leur substituant pour former le cation phényle àm/z = 77.

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• Clivage β Les benzènes substitués par un groupe alkyle ont une fragmentation prépondérante : la rupture en β du cycle aromatique, appelée rupture benzylique. Ils perdent un hydrogène ou un groupe alkyle de façon àformer le cation aromatique tropylium àm/z = 91.

Cet ion est fortement stabiliséet constitue souvent le pic de base du spectre de masse. Exemple :

Analyse du spectre du composéde formule bruite C7H7Br.

D’après la formule brute, cette molécule possède 4 degrés d’insaturations; ce qui fait penser à une structure aromatique. Le spectre montre autour de l’ion moléculaire deux pics assez petits et d’égale intensité suggérant la présence des deux isotopes du brome : Br79,92^ et Br80,92.

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3.5 - Les aldéhydes

Clivage α

Clivage β

**Réarrangement de McLafferty : Dans cet exemple, on a un H en γ de l’insaturation (fonction aldéhyde).

3.6 - Les cétones et les esters

Le mode de fragmentation le plus fréquent des cétones et des esters (R’COR’’ et R’COOR’’) est la rupture en α qui peut donner R’CO+ ou R’’CO+.

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Clivage α

Réarrangement de McLafferty : Si on a un H en γ de l’insaturation