Chapitre 2. Méthodes de caractérisation
2.4. Détermination de l’activité catalytique
Afin de quantifier les produits de la scission oxydante des acides gras insaturés, et plus particulièrement de l’acide oléique, une analyse par chromatographie en phase gazeuse a été employée. Ces produits, qu’ils soient initiaux, intermédiaires ou finaux, peuvent nécessiter une estérification afin de pouvoir être analysés par cette technique.
2.4.1. GC-MS
2.4.1.1. Principe de fonctionnement
La chromatographie en phase gazeuse (GC) couplée à la spectrométrie de masse (MS) est une technique d’analyse qui permet de séparer (GC), de quantifier et d’identifier (MS) les différents composés volatils (Figure 38). Ainsi, cette technique est utilisée pour analyser les produits de l’essai catalytique ainsi que les réactifs n’ayant pas réagi. Du à l’utilisation d’une colonne, il est parfois nécessaire de les estérifier par exemple, pour augmenter leur potentiel de volatilité et diminuer les interactions avec la colonne afin d’éviter les ponts H.[221]
Figure 38 : Principe de fonctionnement d'une GC-MS.[249]
La partie GC est composée d’une colonne chromatographique dans un four dans laquelle est introduit l’échantillon. Ce dernier étant volatil (tel que les hydrocarbures), le gaz porteur entraîne les différentes composantes de l’échantillon. De par l’affinité avec la phase stationnaire, le temps de rétention de chaque composant est différent, permettant ainsi leur séparation. Leur détection à la sortie de la colonne donne lieu à un chromatogramme (Figure 39), dont la résolution des pics est dépendante des conditions de séparation (nature, diamètre et longueur de colonne, température, nature et débit du gaz porteur …). Chaque pic est analysé par spectrométrie de masse permettant d’en déduire la nature du composé en fonction de son fractionnement.[221]
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Figure 39 : Détection et analyse par GC-MS : chromatogramme et spectres de masse.[250]
Le spectromètre de masse permet la détection des ions et leur discrimination en fonction du rapport masse sur charge m/z. En effet, lorsque la molécule a été séparée par son passage dans la colonne chromatographique, elle est tout d’abord ionisée (Figure 38). La source d’ionisation la plus commune pour cet instrument est l’ionisation par bombardement d’électrons (EI). Un faisceau d’électrons est envoyé sur les molécules, permettant leur ionisation par collision. Cette source d’ionisation est considérée comme dure. En effet, l’énergie cinétique des électrons étant importante, leur impact sur la molécule mène souvent à la fragmentions de cette dernière. Ainsi, la molécule ionisée par EI ressort sous forme d’un amas d’ions, caractéristiques de la molécule. De plus, il est à noter que la charge induite n’est pas nécessairement +1, mais peut être également supérieure, affectant le rapport m/z. La Figure 40 présente le spectre de masse théorique du butane obtenu par EI, calculé à partir du logiciel développé par Allen et al.[251]. Comme attendu, l’ion moléculaire est mesuré
à m/z = 58, tandis que les ions résultants de la fragmentation de la molécule sont retrouvés à de plus faibles rapports. Il existe d’autres sources d’ionisation pouvant être employées pour une application en GC-MS, telle que l’ionisation chimique, plus douce ; cependant l’EI est la méthode empirique la plus répandue.
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Figure 40 : Spectre de masse théorique du butane.
Une fois les ions ionisés, ils sont analysés par le spectromètre de masse. Cet analyseur, souvent un quadripôle, permet de sélectionner les ions selon leur rapport m/z en appliquant une tension spécifique. Ainsi seuls les ions correspondant à cette tension seront capables de se rendre jusqu’au détecteur, tandis que les autres seront éjectés du parcours par le phénomène de résonance (Figure 41). Le détecteur, souvent un multiplicateur d’ions, permet finalement de quantifier le nombre d’ions (Figure 38).
Figure 41 : Principe de fonctionnement d’un quadripôle.[252]
2.4.1.2. Protocole d’utilisation
Le protocole de séparation et d’analyse est identique à celui rapporté dans la thèse de Amir Enferadi-Kerenkan[15].
La GC-MS utilisée lors de cette thèse était une Hewlett-Packard HP série 5890 et une MSD Hewlett-Packard modèle 5970. Ce système était équipé d’une colonne chromatographique Zebron ZB-5MS (30 m × 0,25 mm × 0,25 mm). Le gaz porteur était de l’hélium à un débit de 30 mL/min. Un rapport de 20:1 pour la séparation a été sélectionné. La température d’injection était de 280°C. Le four a été programmé afin de maintenir une température de 50°C pendant 2 minutes, puis une rampe de température de 10°C/min jusque 160°C, qui a été maintenue pendant 1 minute. Une seconde rampe de température a été programmée à hauteur de 5°C/min jusque 290°C, puis maintenue pendant 50 minutes pour élution complète. Le temps moyen de cette analyse est de 90minutes (Figure 42). L’éjection directe
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de 1,0 µL d’échantillon a été réalisée au moyen d’une seringue de 5,0 µL (Aiguille fixe SGE, 23-26 gauge / 42mm L / Cone Tip, Phenomenex Co.). Les données ont été analysées à l’aide du logiciel HP Chemstation, qui comprend notamment une base de données des spectres de masse.
Figure 42 : Programme de température pour l’analyse des réactants de la scission oxydante de l’acide oléique.
2.4.2. Estérification
Afin de pouvoir analyser les réactants de la scission oxydante de l’acide oléique, une dérivation est nécessaire. En effet, que ce soit l’acide oléique, l’acide azélaïque ou l’acide pélargonique, ces composés présentent une trop grande affinité avec la colonne du fait des ponts hydrogène. Ainsi, leur dérivation permet de réduire grandement leur affinité avec la phase stationnaire, et donc leur temps de résidence dans la colonne. Le moyen couramment utilisé dans notre laboratoire est la dérivation par estérification via BF3 selon les travaux de
Metcalfe et Schmitz[253,254]. Une ampoule de 5 mL de méthanol contenant 10% massique de
BF3 dilué dans 10 mL d’éthanol est ajouté à la solution obtenue après l’essai catalytique et
après évaporation des solvants. Ce milieu réactionnel est ensuite placé à reflux pendant 45 minutes le temps de la réaction d’estérification. Puis, une extraction liquide-liquide éther/eau est effectuée. Enfin, l’éther est évaporé et la solution est placée dans 10 mL d’éthanol avant d’être analysée par GC-MS.
Bien que ce protocole soit le plus couramment utilisé dans la littérature, il possède plusieurs désavantages. Dans un premier temps, le BF3 est un composé corrosif et toxique pouvant
présenter plusieurs risques pour le manipulateur[255]. Dans un second temps, le prix des
doses de BF3 entraîne un prix pour chaque essai catalytique avoisinant les 43 CAD. Au
cours de cette thèse, avec le concours de Gaëtan Loir, stagiaire d’été au sein du laboratoire, nous avons mis au point une méthode d’estérification reposant sur la méthode de Steglish[256] diminuant ce prix d’analyse à 6 CAD, utilisant des réactifs moins dangereux. Le
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La première étape est l’évaporation du milieu réactionnel de l’essai catalytique après réaction. En effet, ce milieu contenant de l’eau qui peut réagir avec l’agent de couplage utilisé dans la réaction d’estérification. Une fois les solvants évaporés, la solution est versée dans 10 mL d’éthanol. Par la suite, deux composés vont être ajoutés, une base, nécessaire à l’activation des réactifs pour l’estérification, le DMAP (4-Diméthylaminopyridine) et un agent de couplage qui va permettre d’éviter la création d’eau et ainsi déplacer l’équilibre de la réaction vers les esters, l’EDC (1-ethyl-3-(3-diméthylaminopropyl)carbodiimide). Si le DMAP est la base régulièrement utilisée dans les réactions de type Steglish, l’EDC est lui un carbodiimide beaucoup moins utilisé, généralement des composés tels que le DCC (N,N’-dicyclohexylcarbodiimide). L’intérêt d’un tel choix réside dans le traitement post réactionnel. En effet, une fois estérifiés, les produits de la réaction catalytique sont très solubles dans les phases organiques. Il est donc intéressant d’utiliser des bases et agents de couplage ayant une grande affinité avec les phases aqueuses. Or, le DMAP et l’EDC possèdent des amines tertiaires qui vont se protoner dans un milieu acide augmentant grandement la solubilité de ces composés dans la phase aqueuse. Ainsi, après une réaction de deux heures à température ambiante avec un fort excès en agent de couplage, une extraction liquide-liquide, diéthyl éther/eau acidifié, est effectuée. La solution obtenue est alors évaporée sur un évaporateur rotatif puis diluée dans 10 mL d’éthanol avant une analyse par GC-MS.
Cette méthode a été utilisée dans les phases d’essais de l’activité des catalyseurs, cependant, afin de mieux correspondre aux résultats présentés dans la littérature ainsi qu’aux valeurs précédemment obtenues sur ce projet[61], le protocole utilisant le BF
3 a été
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