SPECTROMETRIE DE MASSE

1. SPECTROMETRIE DE MASSE CHAPITRE V

2. I - INTRODUCTION  Cette technique est applicable pour des composés solides, liquides et gazeux. Elle permet : Détermination de la masse molaire Analyses structurales  Explication des mécanismes de ruptures de liaisons… Analyses quantitatives : Limites de détection < nanogramme (parfois < picogramme)

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  Sensibilité  Sélectivité  Rapidité AVANTAGES DE LA TECHNIQUE

4. II - PRINCIPE Analyse de fragments moléculaires obtenus par ionisation impact électronique ionisation chimique

5. ions, radicaux ou molécules neutres  Ionisation : A-B-C + 1e- A-B-C+. + 2e- A-B-C+. : ion radical Fragmentations Accélération des particules chargées par un champ électrique Déviation des particules chargées par un champ magnétique déviation proportionnelle à masse/charge:m/z Analyse : mesure de m/z de chaque fragment moléculaire Nombre d’ions ayant un m/z donné  lié à l’intensité du pic correspondant

6. III - APPAREILLAGE collecteur d’ions ou détecteur : détecte ions sortants et les exprime en fonction de leur abondance relative    source : lieu d'ionisation des molécules et fragmentation des ions analyseur : sépare les ions en fonction de m/z   Un vide poussé est fait dans chacun de ces éléments.

7. III.1 - Le système d'introduction de l’échantillon 1ère étape  Introduction de l'échantillon dans la source d'ions 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

8. Plusieurs types selon le mode d'ionisation Le plus répandu : L'impact électronique 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  Collisions entre molécules et électrons se font à 70 eV : très énergétiques

9. Ionisation d’une molécule M Molécule neutre, électrons appariés Par ionisation   ion moléculaire positif Formation d’un radical   Ion moléculaire M+. : ion radical M + e- M+. + 2e-

10. Energie d’ionisation des molécules = 6-12 eV Energie des électrons accélérés = 70 eV Excès d'énergie : sous forme d’énergie interne  Fragmentation de l’ion moléculaire ou ion parent  ions fils ou fragments

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 sortir de la source au plus vite Molécules ou fragments neutres formés au cours des fragmentations éliminés par un système de pompage 

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). Trie des ions suivant m/z (en général, z = 1) 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)

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 vet une énergie : Ecinétique = ½ mv2 = zV (énergie cinétique = énergie potentielle)

14. Dans un champ magnétique H : Application de la Loi de Laplace Ions de charge z et de vitesse v H subissent une force d’origine magnétique, s’équilibrant avec la force centrifuge : F = zvH = mv2/r v = zHr/m

15. F = zvH = mv2/r v = zHr/m Or, ½mv2 = zV V : tension d'accélération  H : champ magnétique r : rayon de la trajectoire de l’ion = rayon de courbure de l'électroaimant

16. Détection de tous les ions produits (tous les m/z) : par variation de H ou de V En général, balayage du champ magnétique

17. III.4 - Le collecteur d’ions  Effet multiplicateur d’électrons  Tubes en forme de corne placés sous haute tension (1 à 3 kV) 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

18. III.5 - Le système de traitement des données  Les spectromètres de masse sont pilotés par un ordinateur.  Opérations: a - Réglage et calibrage du spectromètreb - Acquisition et stockage des donnéesc - Traitement des données et recherche dans les banques de spectres

19. IV - SPECTRE DE MASSE A la sortie du détecteur, on collecte les ions : - chargés positivement - vérifiant la condition (r : rayon de courbure de l'électroaimant) pic à une valeur m/z sur le spectre de masse

20. SPECTRE DE MASSE = Diagramme   abscisse : m/z (en impact électronique, z presque toujours égale à 1) ordonnée : intensité  abondance relative des ions Intensité du pic le plus intense du spectre : fixée arbitrairement à 100

21. Les différents types de pics a - Le pic de base  Pic le plus intense du spectre  Ion le plus abondant b - Le pic moléculaire ou pic parent  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 NH3+ . stable

23. Hexane Pic moléculaire ≠ pic de base  Ion moléculaire se fragmente facilement 

24. d - Le pic d’ion métastable  Conditions normales : Ion moléculaire (ou fragment) formé dans la source est suffisamment stablepour atteindre le détecteur. pic sur la spectre Si durée de vie < qq μs ion métastable  Ion métastable :  se décompose en partie sur le trajet

25. Ion métastable : se décompose en partie sur le trajet AB+. A+ + B.  Si la décomposition de AB+. (de masse m1) a lieu entre source et analyseur  Ion A+ (masse m2) donne une trace sur le spectre à une masse apparente m* : m* = m22/m1 m* ≠ masse réélle

26. Une transition métastable  3 pics  - 2 pics (normaux) à m1 et m2 - 1 pic métastable à m* : Faible, de forme diffuse, dont la position non nécessairement une valeur entière

27. V - ANALYSE SPECTRALE Selon deux étapes Exploitation de l’ion moléculaire : masse moléculaire, parité, isotopes, masse exacte...  Exploitation des ions fragments : détermination de la structure de la molécule

28. V.1 - Masse moléculaire  Masse de l’ion moléculaire = somme des masses des isotopes les plus abondants (12C,1H,16O,..) des éléments présents dans la molécule.  - Méthane 12C1H4: ion moléculaire à m/z = 16 - Benzamide C7H7NO Ion moléculaire M+.m/z= 121 La spectrométrie de masse permet de déterminer la masse moléculaire d’une substance inconnue.

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 impaird’éléments trivalents(N, P…): CxHyOzNw (w =1,3,5…)  Exemple : Benzamide C7H7NO m/z = 121 Nombre d’atomesd’azote : 1 (impair).

30. V.3 - Amas isotopique Abondances naturelles relatives des isotopes des éléments courants calculées / 100 (isotope majoritaire)

31. Isotopes de faible abondance-Cas du carbone Exemple : CH4 13C1H4 m/z = 17 pic M + 1 12C2H1H3 m/z = 17 pic M + 1 13C2H1H3 m/z = 18 pic M + 2 ……. Ces différents pics = Amas isotopique Intensités relatives des pics de l’amas isotopique selon abondance naturelle des différents isotopes de l’élément

32. Pic M+1 : * 13C1H4 : Abondance isotopique du carbone 13 = 1,1%intensité du pic M+1 ≈ 1,1% de celle du pic M (12C ) 12C2H1H3: Abondance isotopique du 2H = 0,016%

33. Nombre et intensités relatives des pics de l’amas isotopique 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

34. Isotopes d’abondance considérable Cas du chlore et du brome 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. Exemple 1 : CH3Br 79Br: 100% 81Br: 98% a=1 b=1 Amas isotopique : 2 pics M et M+2 d’intensité relative 1:1 (a+b)1 = a + b 1 1 MM+2

35. M (m/z = 156) M+2 (m/z = 158)  2 pics : 156 et 158 intensités presque égales car abondance naturelle relative des isotopes presque égales : 79Br (100%) et 81Br (98%)

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

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 Analyse d'un spectre de masse  • masse moléculaire • formule brute • mesure des rapports isotopiques d’un élément • structure moléculaire  En effet, les modes de fragmentation dépendent des groupes fonctionnels de la molécule

40. V.4.1 - Règles de base 3 facteurs favorisent le processus de fragmentation :  Les fragmentations avec réarrangement sont favorisées par l’aptitude de certaines molécules ionisées à donner un état transitoire à six centres. Les liaisons faibles se coupent plus facilement.  Les fragments stables se forment préférentiellement.

41. 1ère étape  Ionisation d’une molécule M = expulsion d’un électron d’une liaison ou d’un doublet libre : En général, charge non localisée  utilistion de crochets [ ] M + 1e- M+. + 2e- Hétéroatomes  ionisation préférentielle sur l’un d’eux  charge localisée sur l’hétéroatome

42. 2ème étape  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 Alcools, éthers et alcanes linéaires ou à chaînes ramifiées :   plus grande tendance à la fragmentation  pic moléculaire faible Ion radical formé  généralement fragmentation

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. V.4.2.1 - Ruptures simples   Rupture simple = rupture d’une liaison σ A partir d’un ion radical, une rupture simple donne ion + radical  Exemple : propane clivage de deux façons Fragmentation donnant m/z = 29 préférentielle  Formation d’un cation plus stable  pic à m/z = 29 plus intense que celui à m/z = 15

45. V.4.2.2 - Ruptures   Présence d’un hétéroatome N, O, S, X : « localisation » de la charge  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. Molécule R-CO-R’ (cétone, acide, ester…) : Généralement 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 CH3 à partir de l’ion moléculaire

50. V.4.2.3 - Ruptures avec réarrangement Certains pics ne peuvent être attribués à une fragmentation simple ORIGINE : Recombinaison de certains ions fragments  pics de réarrangement Réarrangement = fragmentation complexe A la fois rupture et création de liaisons Fragmentations avec réarrangement favorisées par Etat transitoire à 6 centres