SPECTROMETRIE DE MASSE

CHAPITRE V

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.

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

II - PRINCIPE

impact électronique

Analyse de fragments moléculaires obtenus par ionisation

ionisation chimique

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 magnétiquedéviation proportionnelle à masse/charge : m/z

Nombre d’ions ayant un m/z donné lié à l’intensité du pic correspondant

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

Un vide poussé est fait dans chacun de ces éléments.

III - APPAREILLAGE

 Introduction de l'échantillon dans la source d'ions

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

GAZ et LIQUIDES VOLATILSA partir d’un ballon chauffé mis en

communication avec source

SOLIDESTube avec filament + échantillon dissous

dans un solvant organique et chauffé pour être

vaporiséEchantillon dans la source : état gazeux

1ère étape

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 électroniqueLe plus répandu :

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

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-

Excès d'énergie : sous forme d’énergie interne

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

ions fils ou fragments

Fragmentation de l’ion moléculaire ou ion parent

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 

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)

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 :

Ecinétique = ½ mv2 = zV

(énergie cinétique = énergie potentielle)

F = zvH = mv2/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

V : tension d'accélération H : champ magnétique

Or, ½mv2 = zV

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

l'électroaimant

V2

rHz/m

22

F = zvH = mv2/r  v = zHr/m

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

En général, balayage du champ magnétique

V2

rHz/m

22

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

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

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 V2

rHz/m

22

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

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

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

Hexane

Pic moléculaire ≠ pic de base Ion moléculaire se fragmente facilement 

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 

m* ≠ masse réélle

m* = m22/m1

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

Ion métastable : se décompose

en partie sur le trajetAB+. A+ + B.

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

- 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

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...

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.

- 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 masse moléculaire d’une substance inconnue.

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

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 = 121Nombre d’atomes d’azote : 1 (impair).

V.3 - Amas isotopique

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

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

12C2H1H3: Abondance isotopique du 2H = 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 :

RELATION (a+b)n

a : abondance relative de l’isotope le plus légerb : abondance relative de l’isotope le plus lourd prise égale à l’unitén : nombre d’atomes de l’élément considéré

Nombre et intensités relatives des pics de l’amas isotopique

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

2 pics : 156 et 158intensités presque égales car abondance naturelle relative des isotopes presque égales : 79Br (100%) et 81Br (98%)

M (m/z = 156) M+2 (m/z = 158) 

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

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

Relation (a+b)n(c+d)m

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

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.

En général, charge non localisée utilistion de crochets [ ]

1ère 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-

Ion radical formé généralement fragmentation 2ème 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

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 …

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

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

Généralement 

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

4 ions fragments

RCO+ R’CO+ R+ R’+

Fragments R+ et R’+

minoritaires

Exemple 

fragments majoritaires  : ruptures radicalaires en α du carbonyle

b - Liaisons carbone-carbone adjacentes à un hétéroatome

Rupture facile : cation résultant stabilisé par résonance

Exemple

Pic de base : m/z = 72

perte de CH3 à partir de l’ion moléculaire

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 complexeA la fois rupture et création de liaisons

a - Réarrangement de McLafferty

Formation d’un nouveau cation radical

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

b - Réaction rétro-Diels-Alder

Fragmentation possible via une réaction rétro-Diels-Alder

Cyclohexènes

V.5 - Fragmentations de quelques classes chimiquesV.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  cations les plus stables

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

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 tertiaire stable

V.5.1.3 - Alcènes

Fragmentation des alcènes cation allylique stabilisé par résonance

V.5.1.4 - Composés benzéniques

Pic parent toujours important : ion moléculaire fortement stabilisé pour le cycle aromatique

Spectres de masse facilement interprétables

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

Perte du substituant

b - Les benzènes monosubstitués

Substituant ≠ alkyle Clivage

etc … comme pour le benzène

cation phényle à m/z = 77

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 C7H7

+ à m/z = 91

Pic parent souvent faible Fragmentation la plus importante :

perte d’un groupe alkyle, préférentiellement le plus volumineux

V.5.1.5 - Alcools

Souvent, pic important à M-18 perte d'une molécule d'eau

V.5.1.6 - Aldéhydes

Clivage α

Clivage

Réarrangement de McLafferty  fragment de masse 44 indiquant bien la fonction aldéhyde

Si H en de l’insaturation