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Etude experimentale et théorique de la reactivité en
phase gazeuse entre les ions Pb2+ et la D-glucosamine,
la N-Ac-glucosamine et les acides uroniques.
Ahlam El Firdoussi, Jean-Yves Salpin, Jeanine Tortajada
To cite this version:
Ahlam El Firdoussi, Jean-Yves Salpin, Jeanine Tortajada. Etude experimentale et théorique de la
reactivité en phase gazeuse entre les ions Pb2+ et la D-glucosamine, la N-Ac-glucosamine et les acides
uroniques.. 1er Symposium de Chimie et Biologie Analytiques : de la molécule au protéome, 2005,
Montpellier, France. 2005. �hal-00069123�
Laboratoire Analyse et Environnement – UMR CNRS 8587
Bâtiment Maupertuis - Université d’Evry Val d’Essonne - Boulevard François Mitterrand - 91025 Evry Cedex - France
Bourse AUF : Post-Doc 2004-2005
Ahlam El Firdoussi
1,2, Jean-Yves Salpin
2et Jeanine Tortajada
21) Université Cady Ayyad, Faculté des Sciences Semlalia de Marrakech – 2) Université d'Evry Val d’Essonne
Etude expérimentale et théorique de la réactivité en phase gazeuse entre les ions Pb
2+
et la
D-glucosamine, la N-Acétyl-D-glucosamine et les acides uroniques
Introduction
Etude théorique:
♣Calculs DFT/B3LYP au niveau 6-31G(d,p) pour C, H, O, N, et pseudo-potentiel de Stuttgart(1)pour Pb. ♣Analyse énergétique et structurale des structures envisagées.
♣Analyse des charges (NBO).
Etude expérimentale:
Méthodologie
♣Triple-quadripôle (API2000; Applied Biosystems/MDS Sciex) + source turboionspray
♣Expériences MS/MS avec N2comme gaz de collision (P(N2)= 10-5Torr) ♣Solutions Pb(NO3)2/saccharide (H2O et/ou Méthanol) (10-4mol.L-1/10-4mol.L-1).
♣température du gaz de séchage : 100°C
Mots-Clefs: Cationisation, Monosaccharides, Plomb, Réactivité, Spectrométrie de masse MS/MS, Calcul théorique.
La toxicité et la biodisponibilité de cations métalliques dans l’environnement sont liés à leur complexation avec les molécules organiques présentes dans le milieu naturel. Compte tenu des différents paramètres mis en jeu, il est particulièrement intéressant de s'affranchir dans un premier temps de tout effet de milieu, et d'étudier la réactivité intrinsèque de ces espèces métalliques. Dans ce but, la spectrométrie de masse tandem, combinée à une source electrospray, constitue un outil très performant pour l'étude de la formation et de la réactivité de complexes organométalliques en phase gazeuse.
Les sucres sont les molécules les plus abondantes de la biosphère et sont rencontrés sous forme de polysaccharides. Parmi ceux-ci, le chitosane et la chitine peuvent influencer la spéciation des métaux dans les milieux marins du fait de leur forte abondance dans ces milieux. Aussi, nous nous sommes intéressés aux interactions se produisant entre la D-glucosamine et le N-Acétyl-D-glucosamine (respectivement unités de base du chitosane et de la chitine) et les ions Pb2+ , le
plomb étant l'un des principaux métaux toxiques émis dans l'environnement. Deux acides uroniques ont également été envisagés: l'acide D-glucuronique et l'acide D-galactouronique.
Objectifs
- Déterminer la ou les structures des complexes formés.
- Caractériser la structure et la réactivité du complexe le plus abondant.
- Déterminer les sites de complexation préférentiels.
- Etudier l’influence de la coordination du Pb(II) sur la géométrie des monosaccharides étudiées.
Acide glucuronique (l’acide D-galactouronique présente le OH(4) en position axiale) D-glucosamine N-acétyl-D-glucosamine (G ) (E) 1 2 3 4 5 6 (F) (A) (B) (C) (D) Nomonclature adoptée : 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 m/z, amu 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% R e l. I n t. ( % ) 341,1 225,1 267,0 401,1 279,1 595,4 451,3 I- Analyse energétique
Etude théorique
Etude expérimentale
[Pb] =10-4M et [A.G.] =10-4M dans H2O, tension de cône 120 V
Spectre MS/MS de m/z 401 (PN2=10-5Torr, 10 eV) [Pb(A.G)2-H]+
[Pb(A.G) -H]+
I- Acide D-glucuronique
•Formation d’ions du type [Pb(monosaccharide)-H]+. •Pas d’ions dichargés observés.
200 220 24 0 260 280 300 320 340 360 380 400 420 m/z, amu 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% R e l. I n t. ( % ) 341 401 267 279 311 383 297
Spectre electrospray mode +
•Une fragmentation prépondérante : perte de 60 Daltons par "cross-ring cleavage"
-C2H4O2
Spectre MS/MS de m/z 341 (PN2=10-5Torr, 15 eV)
200 220 240 260 280 300 320 340 360 m/z, amu 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% Rel . Int. ( % ) 267 279 323 225 208 341 -C2H2O3 -CH2O3
♣Etude de la complexation des deux formes anomériquesα et β
1.418 1.539 1.526 1.524 1.540 1.433 2.130 2.363 2.449 2.030 1.215 1.940 1.417 1.432 1.536 1.535 1.251 1.551 1.538 2.164 2.467 2.582 1.873 1.297 2.320 2.068
•Analyse NBO : interaction essentiellement de nature électrostatique.
Distances en Angström
•Il a été montré pour le glucose que l’élimination de C2H4O2(60 Daltons) correspondait exclusivement a une rupture
de type 0,2A selon la convention de Domon et Costello(3). Les résultats expérimentaux et théoriques semblent indiquer
un processus similaire pour l’acideD-glucuronique. Ainsi les structures obtenues montrent que la coordination de type DG induit une activation de la liaison C(1)-O(5). D’autre part la perte de 62 Daltons à partir de m/z 341 peut être attribuée à une élimination conjointe de CO2et H2O, ce qui suggère que l’ion m/z 341 contient le groupement
carboxylique.
Mécanismes de fragmentation
•le mécanisme suivant peut être proposé pour la transition 401→ 341 →267
α DG, m/z 401 OH Pb O HO O O O H O H H O O O Pb OH m/z 341 HO H O O O Pb H m/z 267 O H O O H O 0,2 A
•Les résultats obtenus avec l’acide D-galactouronique sont similaires. Aucune influence de la configuration du carbone 4 sur les processus de fragmentation. 40 80 120 160 200 240 280 320 360 400 m/z, amu 1,00e5 3,00e5 5,00e5 7,00e5 9,00e5 1,06e6 Intensity 327 279 309 386,3 208,0 267 II- D-glucosamine m/z 309 m/z 386 m/z 327 m/z 279 m/z 267 m/z 208 -C2H5NO
Spectre MS/MS de m/z 386 (PN2=10-5Torr, 10 eV)
Etude théorique
Etude expérimentale
Bibliographie 2.235 2.482 1.932 2.371 1.393 1.524 2.061 2.362 2.065 1.536 1.449 2.497 2.241 2.253 2.370 1.419 1.529 2.206
•L’élimination de 59 Daltons (C2H5NO) est en accord
avec un processus de type 0,2A. Ceci est confirmé par
le fait que le spectre MS/MS de l’ion m/z 267 est identique à celui obtenu à partir du D-glucose.
•Une nouvelle fois, la fragmentation principale correspond au cross-ring cleavage0,2A. Celui-ci peut se produire à partir d’une structure de type CG
dans laquelle le métal intéragit avec l’hydroxyle C et le carbonyle. Néanmoins la réactivité avec ce monosacccharide est plus riche car d’autres ruptures de cycles sont observées, telles que 0,2X (m/z 308) ou encore celles conduisant à
m/z 368 (voir ci-contre). A noter que l’ion m/z 308 peut provenir de deux ruptures consécutives : 428 → 368 → 308.
Conclusion
III- N-acétyl-D-glucosamine
Etude théorique
Etude expérimentale
1,3 0,0 0,168385 -763,854292 β-AFG 24,7 23,4 0,167552 -763,844539 β-EFA 15,9 14,6 0,16804 -763,848379 β-DG 101,1 99,8 0,166250 -763,814141 β-DE 60,0 58,6 0,167612 -763,831184 β-ED 70,2 68,9 0,1682216 -763,827887 β-DC 27,5 26,1 0,168078 -763,844027 β-CD 47,8 46,5 0,168986 -763,837198 β-CB 36,9 35,6 0,168878 -763,841233 β-BC 77,8 76,5 0,168349 -763,825130 β-BA 47,3 46,0 0,168938 -763,837342 β-AB 78,2 78,2 0,16779 -763,824403 α-EG 43,0 43,0 0,168195 -763,838242 α-EF 0,0 0,0 0,168963 -763,855373 α-DG 83,9 83,9 0,16740 -763,821846 α-DE 50,5 50,5 0,168380 -763,835551 α-ED 59,6 59,6 0,169084 -763,832801 α-DC 16,8 16,8 0,168787 -763,848784 α-CD2 13,0 13,0 0,16881 -763,850251 α-CD 54,9 54,9 0,168899 -763,834411 α-CB 23,6 23,6 0,169467 -763,846877 α-BC 77,5 77,5 0,168083 -763,824968 α-BA 36,4 36,4 0,169280 -763,841817 α-AB ∆E(kJ/mol) (Global) ∆E (kJ/mol) (α/β) ZPVE (Hartree) E(Hartree) Structure Acide D-glucuronique 60,0 48,2 0.199051 -669.940337 β-DE 35,2 23,4 0.199800 -669.950523 β-ED 23,1 11,4 0.199714 -669.955038 β-EAF 38,0 26,3 0.199830 -669.949481 β-DC 34,1 22,4 0.199640 -669.950776 β-CD 22,4 10,7 0.200403 -669.955974 β-CB 35,0 23,3 0.199679 -669.950458 β-BC2 60,2 48,5 0.199448 -669.940645 β-BA 11,7 0,0 0.200872 -669.960523 β-AB 46,8 46,8 0.199757 -669.946045 α-EF 41,2 41,2 0.200047 -669.948485 α-DE 10,7 10,7 0.200557 -669.960613 α-ED 27,8 27,8 0.200638 -669.954154 α-DC2 14,2 14,2 0.200248 -669.958965 α-CD2 60,7 60,7 0.199743 -669.940756 α-CD 13,5 13,5 0.201012 -669.959974 α-CB 34,3 34,3 0.199882 -669.950954 α-BC 47,6 47,6 0.199640 -669.945644 α-BA 48,7 48,7 0.199600 -669.945156 α-AF 0,0 0,0 0.201298 -669.965419 α-AB ∆E kJ/mol(Global) ∆E (kJ/mol)(α/β) ZPVE (Hartree) E(Hartree) Structure D-Glucosamine
Spectre MS/MS de m/z 428 (PN2=10-5Torr, 10 eV)
200 220 240 260 280 300 320 340 360 380 400 420 440 m/z, amu 0% 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 90% 100% R e l. Int. (%) 327 428 368 308 267279 350 392 410 0,2A 0,2A -C2H4O20,2A -C2H4O2 92,5 92,5 0,237150 -822,603272 α-EF 23,0 23,0 0,238094 -822,630705 α-ED 0,0 0,0 0,236111 -822,6374686 α-DC 39,8 39,8 0,237424 -822,6236567 α-CD 13,7 13,7 0,238317 -822,634471 α-CG 110,1 110,1 0,237276 -822,596705 α-CB 48,1 48,1 0,237674 -822,620708 α-BC 46,1 46,1 0,.236969 -822,620774 α-BA 69,6 69,6 0,237253 -822,612112 α-AF 55,3 55,3 0,237599 -822,617905 α-ABG ∆E kJ/mol(Global) ∆E (kJ/mol)(α/β) ZPVE (Hartree) E(Hartree) Structure N-acétyl-D-Glucosamine O OH NH HO HO OH CH3 O 327 368 368 -H, +Pb 308 m/z 309 m/z 428 m/z 327 m/z 279 m/z 267 m/z 410 m/z 368 m/z 350 m/z 308
•Etude des structures avec l’anomèreβ en cours.
(2) Salpin, J. Y.; Tortajada, J. J. Phys. Chem. A 2003, 107, 2943. (1) Küchle, W.; Dolg, M.; Stoll, H.; Preuss, H. Mol. Phys. 1991, 6, 1245.
(3) Domon, B.; Costello, C. E. Glycoconjugate J. 1988, 5, 397.
Des perspectives intéressantes pour compléter ce travail seraient de marquer l’oxygène anomérique par 18O en vue d'obtenir
davantage d'informations sur les mécanismes de fragmentation des ions.
Cette étude pourrait être étendue à d'autres cations métalliques afin de comparer la réactivité induite par différents métaux. Les résultats obtenus démontrent que ces trois systèmes présentent, malgré la présence de différents groupements fonctionnels, une réactivité unimoléculaire comparable, caractérisée essentiellement par un clivage de type 0,2A. Les calculs
DFT démontrent que les géométries sont généralement favorisées lorsqu'elles impliquent une interaction bi- ou tridentate du cation métallique avec le groupement fonctionnel (amino, N-acetyl, COOH) et une fonction hydroxyl. Les groupements hydroxyls n'interagissant pas avec le métal sont engagés dans une série de liaisons hydrogène intramoléculaire.
•Les formes complexées impliquent une interaction de type bi- ou tridentate et un maximum de liaisons hydrogène intramoléculaires.
•Les structures les plus stables (DG, AFG) impliquent une interaction avec le carbonyle de la fonction carboxylique. Ceci est différent de ce qui été observé avec le D-glucose(2). L’interaction du métal implique une activation
importante du carbonyle (bande d’absorption infra-rouge deplacée de 139 cm-1vers le rouge). Dans le cas de la forme
