Méthode de dérivatisation PFBHA-BSTFA

L’oxydation des COV dans l’atmosphère conduit généralement à la formation d’espèces contenant des fonctions carbonylées (-C=O), carboxyliques (-COOH) ou hydroxylées (-OH). Pourtant la détection et l’identification de tels composés est un point délicat qui donne lieu à de nombreux efforts de recherche. En effet, ces fonctions oxygénées ont un caractère très polaire qui rend difficilement utilisables les techniques chromatographiques habituelles dans la mesure où les composés à l’état de traces sont facilement retenus dans l’injecteur ou dans la colonne de chromatographie.

Une technique se développe pour caractériser ces composés spécifiquement, décrite notamment dans le travail de Yu, Jeffries et al. 1995 et de Spaulding, Charles et al. 2002. Il s’agit de coupler une technique de dérivatisation des fonctions considérées avec une analyse en spectrométrie de masse.

2.2.2.1 Identification des composés carbonylés, -C=O

La fonction carbonylée est convertie sous forme d’oxime en une espèce beaucoup moins polaire qui présente des pics caractéristiques en spectromérie de masse.

2.2.2.1.1 Dérivatisation chimique

L’amine utilisée pour effectuer la dérivatisation chimique est la PFBHA, o-pentafluorobenzyl-hydroxylamine selon l’équation chimique ci-dessous :

Cette méthode a été appliquée au LISA et au CRAC en installant un système de prélèvement sur les chambres de simulation atmosphérique (voir Figure 15). Les barbotteurs de 10 mL sont remplis d’une solution aqueuse de PFBHA à 0,25 mg.mL^-1 acidifiée d’une goutte de H2SO4 à 50% pour catalyser la réaction de dérivatisation. Les prélèvements ont lieu dans un bain de glace pour améliorer l’efficacité du piégeage. Un blanc de chambre est effectué avant toute réaction. Puis le prélèvement correspondant à l’étude de la réaction est réalisé pendant les 30 premières minutes correspondant au début de la réaction dans le réacteur photochimique. 10 et 30 L d’air environ sont ainsi prélevés dans les chambres de simulation du LISA et du CRAC respectivement.

Une colonne remplie de cristaux d’iodure de potassium (KI) était systématiquement connectée entre la CSA et le premier barbotteur ce qui avait deux intérêts : de préserver la collection de carbonyles d’une attaque ultérieure par l’ozone et de filtrer la phase particulaire pour n’analyser que la phase gazeuse.

O R1 R2 F F F F F O N H₂ F F F F F O N R2 R1

+

Figure 15 : Barbotteurs pour le système de prélèvements et de dérivatisation des composés carbonylés à la PFBHA sur les CSA du LISA et du CRAC.

2.2.2.1.2 Analyse chromatographique

Après un temps de réaction d’une nuit, dans le noir et à température ambiante, les échantillons sont extraits par 1 mL de pentane, puis séchés avec du sulfate de sodium anhydre et enfin filtrés avant injection dans les chromatographes.

Les prélèvements sont analysés sur des GCMS Varian au CRAC et au LISA : un GC CP-3800 au LISA et au CRAC, couplé à un MS Saturn 2000 au CRAC et un MS 1200 au LISA, en mode d’ionisation électronique. Les programmes appliqués pour ces analyses sont décrits en détail dans la publication de Spaulding, Charles et al. 2002.

Les chromatogrammes obtenus permettent de mettre en évidence le nombre et le spectre de masse des dérivés des espèces carbonylées produites au cours de la réaction d’étude. Un

Figure 16 : Exemple de chromatogramme obtenu : prélèvement PFBHA au cours d'une expérience d'ozonolyse du MBO menée au CRAC.

Les dérivés présentent des fragments communs résultant de la fragmentation des agents dérivatisants. Le Tableau 9 répertorie une liste de fragments caractéristiques obtenus. Le fragment à m/z = 181 présente toujours une abondance relative importante qui permet souvent d’identifier un composé carbonylé du reste du mélange.

Dérivés PFBHA Dérivés BSTFA

Ion Fragment ion Fragment

M + 181 M – 181 M – 197 [M + C6F5CH2]°⁺ [M - C6F5CH2]°⁺ [M - C6F5CH2O]°⁺ M + 73 M – 89 M - 15 [M + Si(CH3)3]°⁺ [M - OSi(CH3)3]°⁺ [M – CH3]°⁺

2.2.2.2 Identification des composés contenant des groupes –COOH et –OH

La fonction alcool ou acide est convertie sous forme de triméthylsilyle (TMS) par réaction avec la BSTFA. Cette méthode de sylilation, classique en chimie organique et en biochimie, a été plus récemment appliquée aux prélèvements atmosphériques par Yu, Flagan et al. 1998.

Figure 17: Structure de la BSTFA, N,O-Bis(triméthylsilyl)-Trifluoroacétamide.

2.2.2.2.1 Dérivatisation chimique

La dérivatisation chimique à la BSTFA a été utilisée dans cette thèse en complément de la dérivatisation à la PFBHA, c’est-à-dire qu’elle a été utilisée pour caractériser les éventuelles fonctions hydroxylées (alcooliques et acides) présentes sur les espèces piégées dans les barboteurs. Le mode de prélèvement reste donc le même que les prélèvements PFBHA décrits précédemment.

La dérivatisation chimique intervient au moment de l’extraction des dérivés organiques dans 1mL de pentane : 1 µL de BSTFA est alors ajouté à la phase organique. L’ensemble est porté à 40°C pendant 2h pour accélérer la réaction de silylation.

2.2.2.2.2 Analyse chromatographique

A nouveau les dérivés obtenus possèdent des spectres de masse très caractéristiques du groupe trimethylsilyle greffé (Destaillats, Spaulding et al. 2002). Les principaux fragments caractéristiques sont reportés dans le Tableau 9.

La fragmentation des dérivés silylés donne naissance à de nombreux autres ions facilement détectables à m/z = 73 et 75 pour les fragments [Si(CH3)3]°⁺ et [HO=Si(CH3)3]°⁺. D’autre part, les dérivés de monoacide carboxylique présentent souvent un pic important à m/z = 117 qui correspond au fragment [COOSi(CH3)3]°⁺. Si ce dernier est détecté, il y a de fortes présomptions sur la nature acide du composé détecté, mais la présence de ce fragment ne fournit pas de conclusions définitives.

Pour ces deux techniques de dérivatisation, des tentatives de quantification par étalon interne sont développées (voir Yu, Jeffries et al. 1995 et Spaulding, Charles et al. 2002). Nos essais de calibration quantitative de l’acétone et du formaldéhyde sont en revanche restés infructueux, la reproductibilité de notre méthode d’extraction et d’injection restant à améliorer.