SPECTROMETRIE DE MASSE

(1)

SPECTROMETRIE DE MASSE

CHAPITRE V

(2)

I - INTRODUCTION

Elle permet :

 Détermination de la masse molaire

 Analyses structurales

 Explication des mécanismes de ruptures de liaisons…

 Analyses quantitatives :

Limites de détection < nanogramme

(parfois < picogramme)

 Cette technique est applicable pour des composés solides, liquides et gazeux.

(3)

APPLICATIONS PRATIQUES

 Biologie : Détermination de Masses molaires >

100000 (à 1 unité près) pour des macromolécules comme les proteïnes

 Etudes de pollution de l’environnement

 Détection de dopants chez les sportifs

AVANTAGES DE LA TECHNIQUE

 Sensibilité

 Sélectivité

 Rapidité

(4)

II - PRINCIPE

impact électronique

Analyse de fragments moléculaires obtenus par ionisation

ionisation chimique

(5)



Ionisation : A-B-C + 1e^-A-B-C^+. + 2e^- A-B-C^+. : ion radical  Fragmentations



Accélération des particules chargées par un champ électrique



Analyse : mesure de m/z de chaque fragment moléculaire

ions, radicaux ou molécules neutres



Déviation des particules chargées par un champ magnétique

déviation proportionnelle à masse/charge :

m/z

(6)

source : lieu d'ionisation des molécules et fragmentation

des ions analyseur : sépare

les ions en fonction de m/z

collecteur d’ions ou détecteur : détecte ions sortants et les

exprime en fonction de leur abondance relative

III - APPAREILLAGE











(7)

Introduction de l'échantillon dans la source d'ions

III.1 - Le système d'introduction de l’échantillon

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

1ère étape

(8)

III.2 - La source d’ions

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

Plusieurs types selon le mode d'ionisation

L'impact électronique

Le plus répandu :

 Collisions entre molécules et électrons se font à 70 eV : très énergétiques

(9)

Ionisation

d’une molécule M



ion moléculaire positif



Ion moléculaire M

^+.

: ion radical

Molécule neutre, électrons appariés

Par ionisation



Formation d’un radical



M + e

^-

M

^+.

+ 2e

^-

(10)

Excès d'énergie : sous forme d’énergie interne

Energie d’ionisation des molécules = 6-12 eV Energie des électrons accélérés = 70 eV

ions fils ou fragments



Fragmentation de l’ion moléculaire ou ion parent



(11)

Si énergie interne des ions fils suffisamment élevé  D’autres fragmentations etc….

 Durée de vie des ions très brève ( μs)

 Nécessité de les faire

 Molécules ou fragments neutres formés au cours

des fragmentations éliminés

(12)

III.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).

 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)

Trie des ions suivant m/z

(en général, z = 1)

(13)

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 :

E

_cinétique

= ½ mv

²

= zV

(énergie cinétique = énergie potentielle)

(14)

F = zvH = mv

²

/r  v = zHr/m

Ions de charge z et de vitesse v  H

subissent une force d’origine magnétique, s’équilibrant avec la force centrifuge :

 Dans un champ magnétique H :

Application de la Loi de Laplace

(15)

V : tension d'accélération H : champ magnétique

Or, ½mv² = zV

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

V 2

r z H

/ m

2



2

F = zvH = mv²/r  v = zHr/m

(16)

Détection de tous les ions

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

En général, balayage du champ magnétique

V 2

r z H

/ m

2



2

(17)

 Tubes en forme de corne placés sous haute tension (1 à 3 kV)

III.4 - Le collecteur d’ions

 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

 Effet multiplicateur d’électrons

(18)

III.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

(19)

IV - SPECTRE DE MASSE

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

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

(r : rayon de courbure de l'électroaimant)

- chargés positivement

- vérifiant la condition 2 V r z H

/ m

2



2

(20)

SPECTRE DE MASSE = Diagramme

 ordonnée : intensité 

abondance relative des ions

 abscisse : m/z

(en impact électronique, z presque toujours égale à 1)

Intensité du pic le plus intense du spectre : fixée arbitrairement à 100

(21)

b - Le pic moléculaire ou pic parent

Les différents types de pics

a - Le pic de base

 Pic le plus intense du spectre  Ion le plus abondant

 m/z = masse moléculaire

(22)

c - Les pics fragments Exemple : Ammoniac

 Pic moléculaire m/z = 17

 Pics m/z = 14, 15 et 16 : pics fragments

 Pic de base m/z = 17

 ion moléculaire NH ^{+ .} stable

(23)

Hexane

Pic moléculaire ≠ pic de base

(24)

d - Le pic d’ion métastable

 Conditions normales :

Ion moléculaire (ou fragment) formé dans la source est

suffisamment stable pour atteindre le détecteur.

 Si durée de vie < qq μs

Ion métastable : se décompose en partie sur le trajet

pic sur la spectre

ion métastable

(25)

**m* ≠ masse**

**m* = m**

₂²

/m

₁

 Si la décomposition de AB^+. (de masse m₁) a lieu entre source et analyseur

Ion métastable : se décompose en partie sur le trajet

AB

^+.

A

⁺

+ B

^.

 Ion A+ (masse m₂) donne une trace sur le spectre à une masse apparente m* :

(26)

- 2 pics (normaux) à m1 et m2

 Une transition métastable  3 pics

- 1 pic métastable à m* :

Faible, de forme diffuse, dont la position non nécessairement une valeur entière

(27)

V - ANALYSE SPECTRALE

 Exploitation des ions fragments :

détermination de la structure de la molécule

Selon deux étapes

 Exploitation de l’ion moléculaire :

masse moléculaire, parité, isotopes,

masse exacte...

(28)

V.1 - Masse moléculaire

 Masse de l’ion moléculaire = somme des masses des isotopes les plus abondants

(

¹²

C,

¹

H,

¹⁶

O,..) des éléments présents dans la molécule.

- Benzamide C₇H₇NO

Ion moléculaire M^+. 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

 - Méthane ¹²C¹H₄: ion moléculaire à m/z = 16

(29)

V.2 - Parité de l’ion moléculaire

REGLE DE LA PARITE

 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).

(30)

V.3 - Amas isotopique

Abondances naturelles relatives des isotopes des éléments courants calculées / 100 (isotope majoritaire)

(31)

 Exemple : CH4

 ¹³C¹H4 m/z = 17 pic M + 1  ¹²C²H¹H3 m/z = 17 pic M + 1  ¹³C²H¹H3 m/z = 18 pic M + 2 …….

Intensités relatives des pics de l’amas isotopique selon abondance naturelle des

différents isotopes de l’élément

Isotopes de faible abondance-Cas du carbone

Ces différents pics = Amas isotopique

(32)

12

C

²

H

¹

H : Abondance isotopique du

²

H = 0,016%

* ¹³C¹H₄ : Abondance isotopique du carbone 13 = 1,1%  intensité du pic M+1 ≈ 1,1% de celle du pic M (¹²C )

Pic M+1 :

(33)

RELATION (a+b)

ⁿ

a : abondance relative de l’isotope le plus léger b : abondance relative de l’isotope le plus lourd prise égale à l’unité

n : nombre d’atomes de l’élément considéré

Nombre et intensités relatives des pics

de l’amas isotopique

(34)

Isotopes d’abondance considérable

Exemple 1 : CH₃Br

79Br: 100% ⁸¹Br: 98%

a=1 b=1

(a+b)

¹

= a + b 1 1 M M+2

Amas isotopique : 2 pics M et M+2

d’intensité relative 1:1

Isotope lourd (+2) est abondant

 Si la molécule contient n halogènes, l’intensité des pics de l’amas isotopique est donnée par la relation (a+b)ⁿ.

Cas du chlore et du brome

(35)

2 pics : 156 et 158

intensités presque égales car abondance naturelle relative des isotopes presque égales :

⁷⁹Br (100%) et ⁸¹Br (98%)

M (m/z = 156) M+2 (m/z = 158)

(36)

 Exemple 2 : CH₂Cl₂ M = 84

35Cl : 100% ³⁷Cl : 32,5%

a = 3 b = 1 (a+b)² = a² + 2ab + b²

9 6 1 M M+2 M+4

3 pics M, M+2 et M+4

intensités relatives 9:6:1

(37)

(38)

Composés avec à la fois n atomes Cl et m atomes Br

Relation (a+b)

ⁿ

(c+d)

^m

(39)

V.4 - Les fragmentations

-masse moléculaire -formule brute

-mesure des rapports isotopiques d’un élément

-structure moléculaire

 Analyse d'un spectre de masse 

En effet, les modes de

fragmentation dépendent des

groupes fonctionnels de la molécule

(40)

V.4.1 - Règles de base

 Les fragmentations avec réarrangement sont favorisées par l’aptitude de certaines

molécules ionisées à donner un état transitoire à six centres.

3 facteurs favorisent le processus de fragmentation :

 Les liaisons faibles se coupent plus facilement.

 Les fragments stables se forment

préférentiellement.

(41)

En général, charge non localisée  utilistion de crochets [ ]

1

^ère

étape



Ionisation d’une molécule M = expulsion d’un électron d’une liaison ou d’un doublet libre :

Hétéroatomes  ionisation préférentielle sur l’un d’eux

 charge localisée sur l’hétéroatome

M + 1e

^-

 M

^+.

+ 2e

^-

(42)

Ion radical formé  généralement fragmentation

2

^ème

étape

 Alcools, éthers et alcanes linéaires ou à chaînes ramifiées :

 plus grande tendance à la fragmentation

 pic moléculaire faible

 Cycles aromatiques, autres systèmes π conjugués et cycloalcanes :

 doubles liaisons, cycle et surtout cycle aromatique stabilisent l’ion moléculaire

 probabilité + grande de l’apparition du pic parent

(43)

V.4.2 - Modes de fragmentation

 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 …

(44)



Rupture simple = rupture d’une liaison σ V.4.2.1 - Ruptures simples



A partir d’un ion radical, une rupture simple donne ion + radical

 Exemple : propane

 Formation d’un cation plus stable  pic à m/z = 29 plus intense que celui à m/z = 15

Fragmentation donnant m/z = 29 préférentielle clivage de deux façons

(45)

 Présence d’un hétéroatome N, O, S, X : « localisation » de la charge

V.4.2.2 - Ruptures 

 Le processus de fragmentation dépend cette localisation de charge.

a - Liaison carbone-carbone adjacente à un groupe carbonyle

Rupture facile

 Formation d’un ion acylium stabilisé par résonance

(46)

Généralement

Molécule R-CO-R’ (cétone, acide, ester…) : 4 ions fragments

RCO

⁺

R’CO

⁺

R

⁺

R’

⁺ Fragments R⁺ et R’⁺ minoritaires

(47)

Exemple

fragments majoritaires : ruptures radicalaires en α du carbonyle

(48)

b - Liaisons carbone-carbone adjacentes à un hétéroatome

 Rupture facile : cation résultant stabilisé

par résonance

(49)

Exemple

Pic de base : m/z = 72

perte de CH à partir de l’ion moléculaire

(50)

V.4.2.3 - Ruptures avec réarrangement

ORIGINE :

Recombinaison de certains ions fragments

Fragmentations avec réarrangement

favorisées par Etat transitoire à 6 centres

Certains pics ne peuvent être attribués à une fragmentation simple

pics de réarrangement

Réarrangement = fragmentation complexe

A la fois rupture et création de liaisons

(51)

a - Réarrangement de McLafferty

Exemple

Pour des ions comportant une liaison C=O ou C=C avec existence d’un H en  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

(52)

b - Réaction rétro-Diels-Alder

Fragmentation possible via une réaction rétro-Diels-Alder

Cyclohexènes

(53)

V.5 - Fragmentations de quelques classes chimiques V.5.1 - Les hydrocarbures

Spectres de masse faciles à interpréter

V.5.1.1 - 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

(54)

Cas de l’hexane : Pic parent à m/z = 86

(55)

V.5.1.2 - Alcanes ramifiés

 Ramification  plus grande probabilité de clivage à l’embranchement

 Cas du néopentane

 Carbocation plus substitué  + stable

Pic parent absent sur le spectre

Ion moléculaire se

fragmente rapidement  carbocation

(56)

V.5.1.3 - Alcènes

Fragmentation des alcènes

 cation allylique stabilisé par résonance

(57)

V.5.1.4 - Composés benzéniques

 Pic parent toujours important :

ion moléculaire fortement stabilisé pour le cycle aromatique

 Spectres de masse facilement interprétables

(58)

Pics caractéristiques

 m/z = 77 : [M-H]+

 m/z = 51 : C4H3+ [77 – 26 (acétylène)]

 m/z = 39 : ion cyclique C3H3+ [51-12]

Fragmentations du benzène

a - Le benzène

(59)

Perte du substituant 

b - Les benzènes monosubstitués Substituant ≠ alkyle

Clivage 

cation phényle à m/z = 77

(60)

Clivage β

Substituant = alkyle de type CH₂-R

Fragmentation prépondérante :

Rupture en  du cycle aromatique

"rupture benzylique"

Perte d’un hydrogène ou d’un groupe R

 cation tropylium C

₇

H

₇⁺

à m/z = 91

(61)

 Pic parent souvent faible

 Fragmentation la plus importante : perte d’un groupe alkyle,

préférentiellement le plus volumineux

V.5.1.5 - Alcools

(62)

 Souvent, pic important à M-18

 perte d'une molécule d'eau

(63)

V.5.1.6 - Aldéhydes

Clivage α

Clivage 

(64)

Réarrangement de McLafferty

 fragment de masse 44 indiquant bien la fonction aldéhyde

Si H en  de l’insaturation

(65)