Identification spectrométrique de composés organiques

Silverstein
Bryce
Identification spectrométrique de
composés organiques
Une référence internationale
Une méthode fondée sur la pratique et les
Publié pour la première fois il y a 40 ans, en anglais, exercices
et aujourd’hui référence internationale, cet ouvrage
est une excellente introduction aux méthodes spectroscopiques : infrarouge, spectrométrie de masse et
résonance magnétique nucléaire.
L’ouvrage présente une approche unifiée de la détermination de la structure des composés organiques
reposant essentiellement sur la spectrométrie de masse
(SM), la spectroscopie infrarouge (IR) et la spectroscopie
de résonance magnétique nucléaire (RMN) multinucléaire et multinoyaux.
Enrichissement de la 3e édition française
Rédigée dans un style accessible aux étudiants, cette nouvelle édition a été actualisée pour refléter les usages et
les méthodes modernes. Elle a également été enrichie
d’informations sur les polymères et les groupes fonctionnels phosphorés. Après une étude systématique des différentes spectroscopies, ce livre montre comment les
combiner pour déterminer la structure complète d’une
molécule. Un chapitre entier est consacré à des exercices. Ce volume est complété par de nombreux tableaux
de référence pour chaque technique.
L’ouvrage aborde avec méthode les aspects pratiques
indispensables au choix de la technique la plus adaptée à la
résolution de problèmes concrets :
ules derniers développements en spectrométrie de masse
et l’étude systématique des différentes classes de
composés ;
ules facteurs expérimentaux en spectrométrie infrarouge et l’étude systématique des différentes classes de
composés ;
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Nombreuses tables de référence pour chaque
type de spectrométrie
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ISBN : 978-2-8073-0293-8
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Webster
ula RMN d’autres noyaux courants ;
ula RMN de corrélation et ses nombreuses applications
à l’étude de composés complexes.
Enfin, il offre aux étudiants un recueil d’exercices corrigés
et abondamment discutés, de difficulté croissante.
Traduction de la 8e édition américaine
Vincent Lafond est Docteur en chimie des matériaux
et est traducteur professionnel pour S-Trad.fr
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Kiemle
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Traduction de Vincent Lafond
ula RMN du carbone ;
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spectrométrique de
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ula RMN du proton ;
Chez le même éditeur
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Traduction de Paul Depovere
Traduction d'André Pousse
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Identification spectrométrique
de composés organiques
Chez le même éditeur
ATKINS P.W., DE PAULA J., Chimie physique. 4e édition
BIÉMONT E. Spectroscopie atomique. Instrumentation et structures atomiques
BIÉMONT E., Spectroscopie moléculaire. Structures moléculaires et analyse spectrale
CHAQUIN P., VOLATRON F., Chimie organique. Une approche cellulaire
CLAYDEN J., GREEVES N., WARREN S., Chimie organique. 2e édition
HOUSECROFT C.E., SHARPE A.G., Chimie inorganique
PARSONS A.F., Les concepts clés de la chimie organique
RABASSO N., Chimie organique. 1. Généralités, études des grandes fonctions et méthodes spectroscopiques. 2e édition
RABASSO N., Chimie organique. 2. Hétéroéléments, stratégies de synthèse et chimie organométallique. 2e édition
VOLLHARDT K.P.C., SCHORE N.E., Traité de chimie organique. 6e édition
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Identification
spectrométrique de
composés organiques
3e édition
Traduction de la 8e édition américaine de Vincent Lafond
Ouvrage original
Silverstein, Robert M. (Robert Milton), 1916-2007. Spectrometric identification of organic compounds / Robert
M. Silverstein, Francis X. Webster, David J. Kiemle, State University of New York, College of Environmental
Science & Forestry ; David L. Bryce, University of Ottawa. ­– Eighth edition. Copyright © 2015, 2005, 1998, 1991
John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved. This translation published under license.
Pour toute information sur notre fonds et les nouveautés dans votre domaine de spécialisation,
consultez notre site web: www.deboecksuperieur.com
© De Boeck Supérieur s.a., 2016
Rue du Bosquet, 7, B-1348 Louvain-la-Neuve
Pour la traduction et l’adaptation française
3e édition 2016
Tous droits réservés pour tous pays.
Il est interdit, sauf accord préalable et écrit de l’éditeur, de reproduire (notamment par photocopie) partiellement
ou totalement le présent ouvrage, de le stocker dans une banque de données ou de le communiquer au public,
sous quelque forme et de quelque manière que ce soit.
Imprimé en Belgique
Dépôt légal :
Bibliothèque nationale, Paris : mai 2016
Bibliothèque royale de Belgique, Bruxelles : 2016/13647/121
ISBN : 978-2-8073-0293-8
AVANT-PROPOS À LA HUITIÈME ÉDITION
Le présent manuel de résolution de problèmes, connu comme
« le Silverstein » par de nombreux lecteurs de sa génération,
s’est avéré être une ressource à la fois populaire et très utile
pour les étudiants et les enseignants durant les cinquante dernières années. L’ouvrage présente une approche unifiée de la
détermination de la structure des composés organiques reposant essentiellement sur la spectrométrie de masse (SM), la
spectroscopie infrarouge (IR) et la spectroscopie de résonance
magnétique nucléaire (RMN) multinucléaire et multinoyaux.
Nous avons un grand plaisir à présenter cette nouvelle et huitième édition révisée. Les points forts qui ont fait la renommée
des éditions précédentes sont bien identifiés et ont été préservés
et actualisés. Ces points forts sont une approche pragmatique
de la résolution des problèmes et une masse de données de
spectrométrie de masse et RMN sous forme de tableaux. Nous
détaillons rapidement ci-dessous quelques-unes des principales révisions de cette édition.
Dans tout le texte, la terminologie a été actualisée dans un
souci de cohérence et pour mieux refléter les usages modernes.
Nous avons remplacé dans tout le texte les anciennes terminologies « spectrométrie » et « spectrométrique » en référence
à l’IR et à la RMN par celles plus largement employées de
« spectroscopie » et « spectroscopique », même si nous sommes
bien conscients qu’il existe des arguments valables pour
conserver les anciens termes. Le titre original de l’ouvrage,
familier, a néanmoins été conservé. De nouvelles informations
sur les polymères et les groupes fonctionnels phosphorés ont
été ajoutées au chapitre 2 qui concerne la spectroscopie IR.
Le chapitre 3 sur la spectroscopie de RMN du proton a été
repris, certaines sections ayant été totalement révisées. Les
dernières techniques relatives aux méthodes d’amélioration
du signal RMN ont été mises en avant. Nous avons tenté de
préserver un équilibre approprié entre la théorie et la pratique.
Les concepts d’équivalence chimique et magnétique, fondamentaux pour la compréhension de nombreux spectres RMN,
sont expliqués de façon plus claire. Les chapitres 4 et 5 sur la
RMN du 13C et la RMN bidimensionnelle ont été clarifiés et
certaines sections ont été révisées, afin de mieux appréhender
le fonctionnement réel des expériences. Les rôles importants
des gradients et des méthodes avancées d’acquisition des données en RMN moderne sont également brièvement expliqués
au chapitre 5. Le chapitre 6, qui traite de la résonance magnétique multinucléaire, apporte des informations sur d’autres
isotopes qui intéressent le chimiste, et plusieurs tableaux supplémentaires de déplacements chimiques et de constantes de
couplage. Nous espérons que, lorsque ces noyaux seront présents dans les molécules étudiées, ce chapitre encouragera le
lecteur à étendre son étude au-delà des isotopes 1H et 13C. Les
chapitres 7 et 8, qui proposent des problèmes résolus et choisis,
ont été révisés mais le cœur des problèmes a été préservé par
rapport à l’édition précédente. Des réviseurs ont consciencieusement évalué les problèmes de ces deux chapitres à l’intention
des étudiants.
Nous aimerions remercier le personnel de Wiley, en particulier Jennifer Yee, Ellen Keohane et Mary O’Sullivan, pour
leur dur labeur et leur dévouement à ce projet. Nous souhaitons
également témoigner notre reconnaissance aux réviseurs pour
leurs suggestions qui ont grandement amélioré le manuscrit :
Scott Burt, Brigham Young University, Provo, Utah
Charles Garner, Baylor University, Waco, Texas
Kevin Gwaltney, Kennesaw State University, Kennesaw,
Georgia
Vera Kolb, University of Wisconsin-Parkside
James Nowick, University of California, Irvine
Michael Wentzel, Augsburg College, Minneapolis, Minnesota
David L. Bryce, Ottawa, Ontario
Francis X. Webster, Syracuse, New York
David J. Kiemle, Syracuse, New York
AVANT-PROPOS À LA 1re ÉDITION AMÉRICAINE
Durant ces dernières années, nous avons été amenés à isoler de
petites quantités de composés organiques à partir de mélanges
et à les identifier par spectrométrie. Suivant la suggestion du
Dr. A. J. Castro du San Jose State College, nous avons développé une unité de cours intitulée « Spectrometric Identification
of Organic Compounds », et nous l’avons présentée à des étudiants universitaires et à des chimistes de l’industrie durant
l’été 1962. Ce livre a évolué de manière importante à partir
de ce qui a été rassemblé pour le cours et il porte le même
nom. Nous devons tout d’abord remercier le soutien financier
provenant de deux sources : The Perkin Elmer Corporation
et The Stanford Research Institute. Une grande reconnaissance va à nos collègues du Stanford Research Institute.
Nous avons bénéficié de la générosité de trop de personnes
pour les reprendre individuellement, mais nous nous devons
de remercier le Dr. S. A. Fuqua, en particulier, pour un grand
nombre de discussions très utiles sur la spectrométrie RMN.
Nous souhaitons remercier également la coopération au niveau
de la direction, le Dr. C. M. Himel, Président du département
de recherche organique, et le Dr. D. M. Coulson, Président
du département de recherche analytique. Varian Associates
a apporté son temps et les talents de son laboratoire d’applications RMN. Nous sommes redevables à Mr. N. S. Bhacca,
Mr. L. F. Johnson et le Dr. J. N. Shoolery pour les spectres
RMN et pour leur aide généreuse pour des points d’interprétation. L’invitation à enseigner au San Jose State College fut prolongée par le Dr. Bert M. Morris, Directeur du Département de
Chimie, qui a aimablement arrangé les détails administratifs.
Le brouillon du manuscrit fut relu par le Dr. R. H. Eastman
de la Stanford University dont les commentaires furent très
utiles et grandement appréciés. Pour terminer, nous voulons
remercier nos femmes. Comme test de la patience féminine,
il y a peu de choses qui soient comparables à un auteur dans
les affres de la composition. Nos épouses n’ont pas seulement
enduré, elles nous ont également encouragé, assisté et inspiré.
R. M. Silverstein
G. C. Bassler
Menlo Park, Californie
Avril 1963
TABLE DES MATIÈRES
Chapitre 1
SPECTROMÉTRIE DE MASSE 1
1.1Introduction 1
1.2Instrumentation 2
1.3
Techniques d’ionisation 3
1.3.1
Techniques d’ionisation en phase gazeuse 3
1.3.1.1
Ionisation par impact électronique 3
1.3.1.2
Ionisation chimique 3
1.3.2
Techniques d’ionisation par désorption 4
1.3.2.1
Ionisation par désorption de champ 4
1.3.2.2
Ionisation par bombardement d’atomes rapides 4
1.3.2.3
Désorption-ionisation par plasma 5
1.3.2.4
Désorbtion-ionisation laser 6
1.3.3
Techniques d’ionisation par évaporation 6
1.6.4.2
Cétones cycliques 26
1.6.4.3
Cétones aromatiques 26
1.6.5
Aldéhydes 27
1.6.5.1
Aldéhydes aliphatiques 27
1.6.5.2
Aldéhydes aromatiques 27
1.6.6
Acides carboxyliques 27
1.6.6.1
Acides aliphatiques 27
1.6.6.2
Acides aromatiques 28
1.6.7
Esters carboxyliques 29
1.6.7.1
Esters aliphatiques 29
1.6.7.2
Esters benzyliques et phényliques 30
1.6.7.3
Esters d’acides aromatiques 30
1.6.8
1.6.9
Lactones 31
Amines 31
1.3.3.1
Spectrométrie de masse thermospray 6
1.3.3.2
Spectrométrie de masse par électrospray 6
1.6.9.1
Amines aliphatiques 31
1.6.9.2
Amines cycliques 32
1.6.9.3
Amines aromatiques (anilines) 32
1.4
1.5
Analyseurs de masse 8
1.4.1 Spectromètres de masse à secteur magnétique 8
1.4.2 Spectromètres de masse quadripolaires 9
1.4.3 Spectromètre de masse à piège ionique 10
1.4.4 Spectromètres de masse à temps de vol 11
1.4.5 Spectromètre de masse à transformée de Fourier 12
1.4.6 Spectrométrie de masse tandem 12
Interprétation des spectres de masse IE 12
1.5.1 Identification du pic de l’ion moléculaire 13
1.5.2 Détermination d’une formule moléculaire 14
1.5.2.1
Ion moléculaire de masse entière et pics isotopiques 14
1.5.2.2
Ion moléculaire à haute résolution 15
1.5.3
Utilisation de la formule moléculaire. Indice de
1.5.4
1.5.5
déficience en hydrogène 15
Fragmentation 16
Réarrangements 18
1.6Spectres de masse de quelques classes
chimiques 18
Hydrocarbures 18
1.6.1
1.6.1.1
Hydrocarbures saturés 18
1.6.1.2
Alcènes (Oléfines) 19
1.6.1.3
Hydrocarbures aromatiques et aralkyles 21
1.6.2
Composés hydroxylés 22
1.6.2.1
Alcools 22
1.6.2.2
Phénols 24
1.6.3
Éthers 24
1.6.3.1
Éthers (et acétals) aliphatiques 24
1.6.3.2
Éthers aromatiques 25
1.6.4
Cétones 25
1.6.4.1
Cétones aliphatiques 25
1.6.10
Amides 32
1.6.10.1
Amides aliphatiques 32
1.6.10.2
Amides aromatiques 32
1.6.11
1.6.12
Nitriles aliphatiques 32
Composés nitrés 33
1.6.12.1
Composés nitrés aliphatiques 33
1.6.12.2
Composés nitrés aromatiques 33
1.6.13
1.6.14
1.6.15
Nitrites aliphatiques 33
Nitrates aliphatiques 33
Composés soufrés 33
1.6.15.1
Mercaptans aliphatiques (thiols) 33
1.6.15.2
Sulfures aliphatiques 34
1.6.15.3
Disulfures aliphatiques 35
1.6.16
Composés halogénés 35
1.6.16.1
Aliphatiques chlorés 36
1.6.16.2
Aliphatiques bromés 36
1.6.16.3
Aliphatiques iodés 36
1.6.16.4
Aliphatiques fluorés 36
1.6.16.5
Benzyles halogénés 37
1.6.16.6
Halogénures aromatiques 37
1.6.17
Composés hétéroaromatiques 37
Références 37
Exercices 37
Annexes 46
A
Masses formulaires (M) pour diverses combinaisons
de carbone, hydrogène, azote et oxygène 46
B
Fragments ioniques courants 67
C
Fragments couramment perdus 69
viii TABLE DES MATIÈRES
Chapitre 2
SPECTROSCOPIE INFRAROUGE 71
2.1Introduction 71
2.6.13.3
Vibrations d’élongation C—O et de déformation
O—H 97
Anion carboxylate 97
Esters et lactones 97
2.6.14
2.2Théorie 71
2.6.15
2.2.1
Interactions couplées 74
2.6.15.1
Vibrations d’élongation CuO 97
2.6.15.2
Vibrations d’élongation C—O 98
2.2.2
Liaison hydrogène 75
2.3 Instrumentation 76
2.3.1
IR à dispersion 76
2.3.2
Spectromètre infrarouge à transformée de Fourier
(interféromètre) 77
2.4
Manipulation de l’échantillon 77
2.6.16
Halogénures d’acide 99
2.6.16.1
Vibrations d’élongation CuO 99
2.6.17
Anhydrides d’acides carboxyliques 99
2.6.17.1
Vibrations d’élongation CuO 99
2.6.17.2 Vibrations d’élongation C—O 99
2.6.18
Amides et lactames 99
2.6.1.1
Vibrations d’élongation C—H 80
2.6.18.1
Vibrations d’élongation N—H 100
2.6.18.2
Vibrations d’élongation CuO (bande I des
amides) 100
2.6.18.3
Vibrations de déformation N-H (bande II des
amides) 101
2.6.18.4 Autres bandes de vibration 101
2.6.1.2
Vibrations de déformation C—H 82
Alcanes ramifiés 83
2.5
Interprétation des spectres 79
2.6Absorptions caractéristiques des groupes
dans les molécules organiques 80
2.6.1 Alcanes normaux (paraffines) 80
2.6.2
2.6.2.1
Vibrations d’élongation C—H : Groupes C—H
tertiaires 83
2.6.2.2
Vibrations de déformation C—H : groupes
gem-diméthylés 83
2.6.3
Alcanes cycliques 83
2.6.3.1 Vibrations d’élongation C—H 83
2.6.3.2 Vibrations de déformation C—H 83
2.6.4
Alcènes 83
2.6.4.1
Vibrations d’élongation CuC Alcènes linéaires
non-conjugués 83
2.6.4.2 Vibrations d’élongation C—H dans les alcènes 84
2.6.4.3 Vibrations de déformation C—H dans les alcènes 85
2.6.5
Alcynes 85
2.6.5.1 Vibrations d’élongation CIC 85
2.6.5.2 Vibrations d’élongation C—H 85
2.6.5.3 Vibrations de déformation C—H 85
2.6.6
Hydrocarbures aromatiques monocycliques 85
2.6.6.1 Vibrations de déformation C—H hors du plan 86
2.6.7
2.6.8
2.6.9
Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) 86
Polymères 87
Alcools et phénols 89
2.6.9.1
Vibrations d’élongation O—H 89
2.6.9.2 Vibrations d’élongation C—O 90
2.6.9.3 Vibrations de déformation O—H 90
2.6.10
Éthers, époxydes et peroxydes 92
2.6.10.1 Vibrations d’élongation C—O 92
2.6.11
Cétones 93
2.6.11.1 Vibrations d’élongation CuO 93
2.6.11.2
Vibrations d’élongation et de déformation du groupe
C—C(uO)—C 95
2.6.12
Aldéhydes 95
2.6.12.1
Vibrations d’élongation CuO 95
2.6.12.2 Vibrations d’élongation C—H 95
2.6.13
Acides carboxyliques 96
2.6.13.1 Vibrations d’élongation O—H 96
2.6.13.2
Vibrations d’élongation CuO 96
2.6.18.5 Vibrations d’élongation CuO des lactames 101
2.6.19
Amines 101
2.6.19.1 Vibrations d’élongation N—H 102
2.6.19.2 Vibrations de déformation N—H 102
2.6.19.3 Vibrations d’élongation C—N 102
2.6.20
Sels d’amine 102
2.6.20.1 Vibrations d’élongation N—H 102
2.6.20.2
Vibrations de déformation N—H 102
Les acides aminés et leurs sels 102
Nitriles 103
2.6.23 Isonitriles (R—NIC), 104
Cyanates (R—O—CIN), 104
Isocyanates (R—NuCuO), 104
Thiocyanates (R—S—CIN), et Isothiocyanates
2.6.21
2.6.22
(R—NuCuS) 104
Composés contenant un groupe a—NuN 104
2.6.24
2.6.25 Composés covalents contenant des liaisons azote
– oxygène 104
2.6.25.1
Vibrations d’élongation N—O. 104
2.6.26
Composés organiques soufrés 105
2.6.26.1 Vibrations d’élongation S—H 105
2.6.26.2 Vibrations d’élongation C—S et CuS 105
2.6.27 Composés contenant des liaisons
soufre-oxygène 106
2.6.27.1 Vibrations d’élongation SuO 106
2.6.28
2.6.29
Composés organiques halogénés 107
Composés du silicium 107
2.6.29.1 Vibrations Si—H 107
2.6.29.2 Vibrations SiO—H et Si—O 107
2.6.29.3 Vibrations d’élongation silicium-halogène 108
2.6.30
Composés du phosphore 108
2.6.30.1
Vibrations d’élongation P—H, P—C, P—O, et
PuO 108
2.6.31
Composés hétéroaromatiques 109
2.6.31.1
Vibrations d’élongation C—H 109
2.6.31.2
Fréquences d’élongation N—H 109
2.6.31.3 Vibrations d’élongation de cycle (bandes
du squelette) 109
2.6.31.4 Déformation C—H hors du plan 109
ix
TABLE DES MATIÈRES
Références 110
3.8
Exercices 110
Annexes 120
A
Domaine de transparence des solvants et huiles pour
pâte 120
B
Absorption des groupes caractéristiques 121
C
Absorptions pour les alcènes 126
D
Absorptions pour les composés phosphorés 127
E
Absorption pour les hétéroaromatiques 127
Équivalence chimique 153
3.8.1 Détermination de l’équivalence chimique par
échange via des opérations de symétrie 154
3.8.2 Détermination de l’équivalence chimique par marquage (ou substitution) 154
3.8.3 Équivalence de déplacement chimique par interconversion rapide de structures 155
Chapitre 3 SPECTROSCOPIE DE RÉSONANCE
MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE DU PROTON (RMN1H) 128
3.8.3.1
Interconversion céto-énolique 155
3.8.3.2
Interconversion autour d’une double liaison partielle
(rotation restreinte) 155
3.8.3.3
Interconversion autour des liaisons simples
des cycles 155
3.8.3.4
Interconversion autour des liaisons simples
des chaînes 156
3.1Introduction 128
3.9
3.2Théorie 128
3.10Systèmes rigides AMX, ABX et ABC avec trois
3.2.1
Propriétés magnétiques des noyaux 128
3.2.2
Excitation de noyaux de spin 1 129
3.2.3
Relaxation 130
2
3.3Instrumentation et manipulation
de l’échantillon 131
Équivalence magnétique 157
constantes de couplage 158
3.11 Systèmes faiblement et fortement couplés :
couplage virtuel 160
3.11.1
Systèmes faiblement couplés 160
3.11.1.1 1-Nitropropane 160
3.3.1
Instrumentation 131
3.11.2
Systèmes fortement couplés 160
3.3.2
Sensibilité des expériences RMN 133
3.11.2.1
Hexan-1-ol 160
3.11.2.2
Acide 3-méthylglutarique 161
3.3.3
Choix du solvant et manipulation
de l’échantillon 133
3.4
Déplacement chimique 134
3.5Couplage spin-spin, multiplets, et systèmes
de spins 140
3.5.1 Multiplets du Premier Ordre Simples
et Complexes 140
3.5.2 Systèmes de spins du premier ordre 143
3.5.3 Notation de Pople 144
3.5.4 Autres exemples de systèmes de spins du premier
ordre simple 144
3.5.5 Analyse des multiplets du premier ordre 145
3.6Protons sur des atomes d’oxygène, d’azote
et de soufre : protons labiles 147
3.6.1 Protons sur un atome d’oxygène 147
3.6.1.1
Alcools 147
3.6.1.2
Eau 149
3.6.1.3
Phénols 149
3.6.1.4
Énols 150
3.6.1.5
Acides Carboxyliques 150
3.6.2
3.6.3
3.6.4
Protons sur l’azote 150
Protons sur le soufre 151
Protons sur ou voisins de noyaux chlore, brome
ou iode 152
3.7 Couplage des protons à d’autres noyaux
importants (19F, D (2H), 31P, 29Si et 13C) 152
3.7.1
Couplage des protons à 19F 152
3.7.2 Couplage des protons à D (2H) 152
3.7.3 Couplage des protons à 31P 153
3.7.4 Couplage des protons à 29Si 153
3.7.5 Couplage des protons à 13C 153
3.12Chiralité 162
3.13 Valeurs des constantes de couplage vicinal
et géminal 164
3.14 Couplage à longue distance 165
3.15 Découplage sélectif de spin : double
résonance 165
3.16 Effet overhauser nucléaire 166
3.17Conclusion 167
Références 168
Exercices 168
Annexes 179
A
Diagramme A.1 Déplacements chimiques des protons portés
par un atome de carbone adjacent (position α) à un groupe
fonctionnel dans des composés aliphatiques (M—Y) 179
Diagramme A.2 Déplacements chimiques des protons
portés par un atome de carbone en position β par rapport
à un groupe fonctionnel dans des composés aliphatiques
(M—C—Y) 181
B
Effet sur le déplacement chimique de deux ou trois groupes
fonctionnels directement liés 182
C
Déplacements chimiques dans les composés alicycliques et
hétérocycliques 184
D
Déplacements chimiques dans les systèmes insaturés et
aromatiques 185
Déplacements chimiques des protons sur des cycles
aromatiques monosubstitués 187
E
Protons susceptibles de former des liaisons hydrogène
(protons sur des hétéroatomes) 188
x TABLE DES MATIÈRES
Constantes de couplage de spin en proton 189
G
Déplacements chimiques et multiplicités des protons
résiduels dans les solvants deutérés commerciaux (Merck &
Co., Inc.) 191
H
Déplacements chimiques des solvants de laboratoire courants
à l’état de trace 192
I
Déplacements chimiques rmn proton des acides aminés dans
D2O 194
F
C
Carte de corrélation 13C pour les classes chimiques 233
D
Données RMN 13C pour quelques substances
naturelles (δ) 235
Chapitre 5 Spectroscopie de RMN
bidimensionnelle 236
5.1Introduction 236
5.2Théorie 237
Chapitre 4
SPECTROSCOPIE DE RMN DU CARBONE
13 195
4.1Introduction 195
4.2Théorie 195
4.2.1
4.2.2
4.2.3
4.2.4
4.2.5
4.2.6
4.2.7
Techniques de découplage du 1H 195
Gamme et échelle de déplacement chimique 196
Relaxation T1 197
Effet Overhauser Nucléaire (NOE) 199
Couplage spin-spin 13C—1H (couplage J) 200
Sensibilité 200
Solvant 201
5.3
5.3.1
5.4
IPSÉNOL : COSY 1H—1H 242
5.4.1 Ipsénol : COSY 1H—1H avec filtrage
à double quanta 242
5.4.2 COSY 13C—1H avec détection du carbone :
HETCOR 245
5.4.3 COSY 1H—13C avec détection du proton :
HMQC 245
5.4.4 Ipsénol : HETCOR et HMQC 246
5.4.5 Ipsénol : Corrélation hétéro-nucléaire 1H—13C
à longue distance avec détection du proton :
HMBC 246
4.3Interprétation d’un spectre RMN 13C simple :
le diéthylphtalate 202
4.4Analyse 13C quantitative 204
4.5
Équivalence chimique 204
4.6DEPT 206
4.7
Classes chimiques et déplacements chimiques 208
4.7.1 Alcanes 208
4.7.1.1
Alcanes linéaires et ramifiés 208
4.7.1.2
Effet des substituants sur les alcanes 209
4.7.1.3
Cycloalcanes et hétérocycles saturés. 210
4.7.2
4.7.3
4.7.4
4.7.5
4.7.6
4.7.7
4.7.8
4.7.9
4.7.10
4.7.11
Alcènes 211
Alcynes 212
Composés aromatiques 212
Composés hétéroaromatiques 213
Alcools 213
Éthers, acétals et époxydes 214
Halogénures 216
Amines 216
Thiols, sulfures et disulfures 217
Groupes fonctionnels contenant du carbone 217
4.7.11.1
Cétones et aldéhydes 217
4.7.11.2
Acides carboxyliques, esters, chlorures d’acide,
anhydrides, amides et nitriles 218
4.7.11.3
Oximes 218
Références 220
Exercices 220
Annexes A
Déplacements chimiques 13C, couplages et multiplicités des
solvants RMN courants 231
B
Déplacements chimiques 13C des solvants de laboratoire
courants à l’état de trace 232
Spectroscopie de corrélation 240
Corrélation 1H—1H : COSY 241
5.5
Oxyde de caryophyllène 248
5.5.1 Oxyde de caryophyllène : DQF-COSY 248
5.5.2 Oxyde de caryophyllène : HMQC 251
5.5.3 Oxyde de caryophyllène : HMBC 254
5.6Corrélation 13C—13C : inadequate 254
5.6.1 INADEQUATE : Oxyde de caryophyllène 256
5.7Lactose 258
DQF-COSY : Lactose 258
HMQC : Lactose 258
HMBC : Lactose 258
5.7.1
5.7.2
5.7.3
5.8
Transfert de cohérence par relais : TOCSY 263
5.8.1 TOCSY 2D : Lactose 263
5.8.2 TOCSY 1D : Lactose 263
5.9
HMQC-TOCSY 264
HMQC-TOCSY : Lactose 264
5.9.1
5.10 ROESY 266
5.10.1
ROESY : Lactose 266
5.11VGSE 266
5.11.1
5.11.2
5.11.3
5.11.4
5.11.5
COSY : VGSE 270
TOCSY : VGSE 270
HMQC : VGSE 270
HMBC : VGSE 272
ROESY : VGSE 272
5.12 RMN à gradient de champ pulsé 274
Références 275
Exercices 275
xi
TABLE DES MATIÈRES
chapitre 6 SPECTROSCOPIE DE RÉSONANCE
­MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE MULTINOYAUX 305
6.1
Introduction et considérations générales 305
6.2
Résonance magnétique nucléaire du 15N 307
6.3
Résonance magnétique nucléaire du 19F 311
6.4
Résonance magnétique nucléaire du 29Si 316
6.5
Résonance magnétique nucléaire du 31P 317
6.6Conclusions 320
Références 323
Exercices 323
Annexe 328
A
Propriétés des noyaux magnétiquement actifs 328
Chapitre 7
EXERCICES RÉSOLUS 331
7.1Introduction 331
Exercice 7.1 discussion 335
Exercice 7.2 discussion 339
Exercice 7.3 discussion 343
Exercice 7.4 discussion 350
Exercice 7.5 discussion 356
Exercice 7.6 discussion 362
E XERCICES 363
chapitre 8
CAS RÉELS 370
8.1Introduction 370
Index 459
Chapitre
1
SPECTROMÉTRIE DE MASSE
1.1 Introduction
trons ; on le nomme ion moléculaire, M•+. L’ion moléculaire
chargé en énergie produit une série d’ions fragments. L’origine
de certains d’entre eux est expliquée sur la figure 1.1.
Il est courant de coupler un spectromètre de masse à un
appareil de chromatographie, comme un chromatographe en
phase gazeuse (CPG-SM) ou en phase liquide (CL-SM). Le
spectromètre de masse trouve des applications allant de l’analyse de composés dont le spectre de masse est connu à l’analyse
de substances totalement inconnues. Dans le cas de composés
connus, une recherche informatique compare le spectre de
masse du composé étudié avec une bibliothèque de spectres.
La spectrométrie de masse par impact électronique est particulièrement utile de ce point de vue car elle conduit à une
fragmentation très importante. La correspondance de spectres
de masse est un argument convaincant de l’identification, souvent même juridiquement reconnu. Dans le cas d’un composé
inconnu, l’ion moléculaire, le schéma de fragmentation et des
indices provenant d’autres formes de spectrométrie (IR, RMN)
peuvent conduire à l’identification d’un composé nouveau.
L’acquisition d’un savoir-faire dans cette dernière application
Le concept de spectrométrie de masse est relativement simple :
un composé est ionisé (technique d’ionisation), les ions sont
séparés selon leur rapport masse/charge (technique de séparation d’ions) et le nombre d’ions de chaque « unité » masse/
charge est enregistré sous la forme d’un spectre. Il existe de
nombreuses techniques d’ionisation et de nombreuses techniques de séparation des ions formés (voir la section 1.2). Par
exemple, avec le mode couramment employé de l’impact électronique (IE), le spectromètre de masse bombarde les molécules en phase vapeur avec un faisceau d’électrons de haute
énergie et enregistre le résultat sous forme d’un spectre d’ions
positifs ayant été séparés selon leur rapport masse/charge
(m/z).*
Le spectre en impact électronique de la benzamide est
donné pour illustration à la figure 1.1. L’abondance (intensité
des pics verticaux) est portée en fonction de m/z. Le pic de l’ion
positif à m/z 121 représente la molécule intacte (M) à laquelle
un électron a été arraché lors de l’impact du faisceau d’élec-
O
Benzamide
C7H7NO
M : 121
O
C+
O
NH2
NH2
-CO
H
-N 2
m/z 105
+ e- - 2e
-C H
6
5
O
NH2
m/z 44
M m/z 121
77
% du pic de base
m/z 77
105
100
M+
121
51
50
44
18 28
0
20
30
40
50
60 m/z 70
80
90
100
110
Figure 1.1 Spectre de masse IE de la benzamide avec schéma de fragmentation expliquant les ions importants.
* L’unité de masse est le Dalton (Da), défini comme 1/12 de la masse d’un
atome de l’isotope 12C, qui est fixée arbitrairement à 12,0000… unités de
masse.
120
2 Chapitre 1 SPECTROMÉTRIE DE MASSE
fait l’objet et l’objectif de ce chapitre ; nous nous appuierons
en particulier sur la technique d’IE. Pour d’autres applications
ou pour plus de détails, des ouvrages sur la spectrométrie de
masse et des compilations de spectres sont accessibles en ligne
à l’adresse www.wiley.com/college/silverstein.
1.2 Instrumentation
Comme pour toutes les techniques analytiques modernes,
l’instrumentation utilisée en spectrométrie de masse a connu
des avancées récentes et rapides. Plutôt que de discuter chaque
modèle d’instrument, la discussion portera sur (1) les méthodes
d’ionisation et (2) les méthodes de séparation des ions.
Généralement, la méthode d’ionisation est indépendante de la
méthode de séparation des ions et vice versa, bien qu’il y ait des
exceptions. Certaines méthodes d’ionisation reposent sur une
introduction en sortie de ligne chromatographique (CL-SM),
alors que d’autres (FAB et MALDI) ne permettent pas l’usage
de la chromatographie pour l’introduction de l’échantillon.
Avant d’aller plus loin sur l’instrumentation, une distinction,
fondée sur la résolution, doit être faite entre deux types de
spectromètres de masse.
Le minimum requis pour le chimiste organicien est la possibilité de connaître la masse moléculaire du composé étudié à la
valeur entière la plus proche. Donc le spectre doit présenter un
pic à, disons, m/z 400, qui doit être distinct d’un pic à m/z 399
ou 401. Afin de pouvoir sélectionner des formules moléculaires
possibles à travers la mesure des rapports isotopiques (voir la
section 1.5.2.1), les pics adjacents doivent être proprement
séparés. Arbitrairement, la vallée entre deux pics consécutifs
ne doit pas excéder 10 % de la hauteur du pic le plus grand. Ce
degré de résolution est appelé résolution « unitaire » et peut être
atteint jusqu’à des masses d’approximativement 3000 Da sur des
instruments commerciaux dits « à résolution unitaire ».
Mm
Mn
(Hh (100 ≤ 10%
H
h
Pour déterminer la résolution* d’un instrument, on considère
deux pics adjacents d’intensités à peu près égales. Ces pics
devraient être choisis de telle sorte que la hauteur de la vallée
entre eux, soit inférieure à 10 % de l’intensité des pics. La résolution (R) est R = Mn /(Mn – Mm), où Mn est le nombre de masse
le plus élevé des deux pics adjacents, et Mm est celui le plus bas.
Il existe deux catégories importantes de spectromètres de
masse : ceux à basse résolution (unitaire) et ceux à haute résolution. Les instruments à basse résolution peuvent être définis
arbitrairement comme des instruments qui séparent des masses
entières jusqu’à m/z = 3000 [R = 3000/(3000 – 2999) = 3000].
Un instrument à haute résolution (p. ex., R = 20 000) permet de
faire la distinction entre C16H26O2 et C15H24NO2 [R = 250,1933/
(250,1933 – 250,1807) = 19 857]. Cette classe importante
de spectromètres de masse, pour lesquels R peut atteindre
100 000, peut mesurer la masse d’un ion avec suffisamment
de précision pour déterminer sa composition atomique (formule moléculaire). Pour des raisons pratiques, l’expression
spectrométrie de masse à haute résolution sera utilisée pour
désigner la mesure précise d’une masse. Le nombre de décimales nécessaires permettant de déterminer sans ambiguïté
la composition élémentaire dépend de la masse de l’ion. Une
précision de 0,0025 Da, par exemple, devrait suffire pour les
ions dont la masse ne dépasse pas 500 Da.
Tous les spectromètres de masse partagent certaines caractéristiques (voir la figure 1.2). L’introduction de l’échantillon dans
le spectromètre de masse est une considération importante qui
dépend souvent du type de technique d’ionisation utilisé (voir plus
loin). Tous les spectromètres de masse disposent de techniques
pour l’ionisation de l’échantillon et pour la séparation des ions
selon leur rapport m/z. Ces techniques sont discutées en détail
ci-après. Une fois séparés, les ions doivent être détectés et quantifiés. Un collecteur d’ions typique consiste en une lentille de focalisation qui ne dirige qu’une série d’ions à la fois vers le collecteur
où ils sont détectés et amplifiés par un multiplicateur ­d’électrons.
Les détecteurs d’ions sont conçus pour répondre à un équilibre
entre sensibilité, précision et temps de réponse. De manière
générale, un temps de réponse rapide et une précision élevée
sont mutuellement exclusifs. La technique de détection des ions
dépend dans une certaine mesure de la technique de séparation.
Aujourd’hui, pour ainsi dire tous les spectromètres sont
interfacés avec un ordinateur. L’ordinateur contrôle la mise
Système Informatique
Introduction
de l’échantillon
Technique
d’ionisation
Technique
de séparation
des ions
Détecteur
FIGURE 1.2 Schéma bloc des éléments d’un spectromètre de masse type.
* Cette définition est la plus couramment utilisée pour calculer la résolution, mais pas la seule.
3
1.3 Techniques d’ionisation
en œuvre de l’instrument, y compris la chromatographie, collecte, stocke les données et fournit soit un histogramme soit
des donnés tabulées.
1.3 Techniques d’ionisation
Le grand nombre de méthodes d’ionisation, certaines étant très
spécialisées, exclut une étude exhaustive. Les plus courantes,
sont la phase gazeuse, la désorption et l’évaporation et sont
décrites ci-dessous.
pales bibliothèques et bases de données de spectres de masse, sur
lesquelles reposent bien des travaux et qui sont si souvent citées,
réunissent des spectres d’IE. Des bases de données facilement
accessibles contiennent les spectres IE de plus de 390 000 composés et disposent de moteurs de recherche efficaces. L’unicité du
spectre de masse IE d’un composé organique donné, même pour
des diastéréo-isomères, est une quasi-certitude. C’est cette unicité,
associée à la grande sensibilité de la méthode, qui rend si puissant
et si populaire l’outil analytique CPG-SM. Nous commencerons
la discussion sur les spectres de masse IE à la section 1.5.
1.3.1.2 Ionisation chimique. L’ionisation par impact élec-
1.3.1 Techniques d’ionisation en phase
gazeuse
Les techniques de génération d’ions en phase gazeuse pour
la spectrométrie de masse sont les plus anciennes et les plus
populaires auprès des chimistes organiciens. Ces techniques
s’appliquent à des composés ayant une tension de vapeur d’environ 10 –6 Torr à une température à laquelle le composé est
stable ; ce critère concerne un grand nombre de molécules
organiques non ioniques de M < 1000 Da.
1.3.1.1 Ionisation par impact électronique. L’impact électro-
nique (IE) est historiquement la technique de production d’ions la
plus répandue en spectrométrie de masse. C’est également celle
sur laquelle se focalise le présent chapitre pour l’interprétation
des spectres de masse à des fins de détermination de structure.
Des molécules en phase vapeur, de l’échantillon, sont bombardées par des électrons très énergétiques (généralement 70 eV),
qui ont pour fonction d’éjecter un électron d’une molécule de
l’échantillon en produisant un radical cation, nommé ion moléculaire. Comme le potentiel d’ionisation d’un composé organique classique est généralement inférieur à 15 eV, les électrons
d’impact transfèrent un excédent d’énergie de 50 eV (ou plus) à
l’ion moléculaire formé, qui le dissipe en partie par rupture de
liaisons covalentes dont l’énergie est comprise entre 3 et 10 eV.
La rupture de liaison est habituellement totale et critique,
hautement reproductible et caractéristique du composé. De
plus, ce procédé de fragmentation étant en partie prédictible,
il est à la base de la puissance de la spectrométrie de masse
dans l’élucidation de structure. Souvent, l’excédent d’énergie
transféré à l’ion moléculaire est trop important, ce qui conduit
à un spectre de masse sans ion moléculaire distinct. La réduction de la tension d’ionisation est une stratégie couramment
employée pour obtenir l’ion moléculaire ; cette stratégie est
souvent fructueuse car la fragmentation est alors très réduite.
Elle a cependant un inconvénient : les variantes du spectre
ne peuvent pas être interprétées par comparaison avec les
spectres standards de la littérature.
Pour de nombreux chimistes organiciens, spectrométrie de
masse est synonyme de spectrométrie de masse par IE. Et ceci
pour deux raisons. La première est historique, l’IE était largement disponible avant le développement des autres méthodes
d’ionisation. L’essentiel des premiers travaux de spectrométrie de
masse reposaient sur l’IE. La seconde raison est que les princi-
tronique provoque souvent une telle fragmentation qu’il est
impossible d’observer le pic moléculaire. Un moyen d’éviter
ce problème consiste à utiliser une technique d’ionisation indirecte ; l’ionisation chimique (IC) rencontre un certain succès
et est largement disponible sur de nombreux instruments
commerciaux. En IC, les molécules de l’échantillon (en phase
vapeur) ne sont pas bombardées par un faisceau d’électrons à
haute énergie. Au lieu de cela, un gaz réactif (habituellement le
méthane, l’isobutane, l’ammoniac ou autres) est introduit dans
la source d’ionisation et ionisé. Les molécules de l’échantillon
entrent en collision avec les molécules ionisées du gaz réactif
(CH5+, C4H9+, etc.) dans la source IC où la pression est relativement élevée pour conduire à une ionisation secondaire (c.-à-d.
une ionisation chimique) par transfert de proton en produisant
un ion [M + 1]+, par addition électrophile en produisant des ions
[M + 15]+, [M + 29]+, [M + 41]+ ou [M + 18]+ (avec les ions NH4+)
ou (plus rarement) par transfert de charge en produisant un ion
[M]+. Les spectres d’ionisation chimique présentent parfois
des pics d’ion [M – 1]+ résultants de l’abstraction d’un hydrure.
Les ions ainsi produits ont un nombre pair d’électron. L’excès
d’énergie transférée à l’échantillon durant la phase d’ionisation
est suffisamment faible, généralement inférieur à 5 eV, si bien
que la fragmentation est grandement réduite. Cela a plusieurs
conséquences importantes, les plus riches étant l’abondance
d’ions quasi-moléculaires et une sensibilité accrue due à un
courant ionique total concentré dans un petit nombre d’ions.
En revanche, on en retire moins d’informations structurales.
Les ions quasi-moléculaires sont généralement assez stables et
facilement détectés. Souvent, seuls un ou deux fragments sont
produits et même parfois aucun.
Par exemple, le spectre de masse IE de la 3,4-diméthoxyacétophénone (figure 1.3) montre, en plus du pic de l’ion moléculaire à m/z 180, de nombreux pics de fragments dans la plage
m/z 15 – 167 ; parmi ceux-ci on trouve le pic de base à m/z 165
et des pics remarquables à m/z 77 et 137. Dans le spectre de
masse IC (gaz réactif méthane, CH4), le pic de base (100 %) est
l’ion quasi-moléculaire ([M + 1]+, m/z 181) et les seuls autres
pics, chacun de faible intensité, sont issus de l’ion moléculaire,
à m/z 180, 209 ([M + 29]+ ou M + C2H5+) et 221 ([M + 41]+ ou M
+ C3H5+). Ces deux derniers, résultant de l’addition électrophile
de carbocations, sont particulièrement utiles à l’identification de
l’ion moléculaire. Le gaz vecteur, méthane en excès, est ionisé
lors de l’impact électronique pour former les ions CH4+ et CH3+,
qui réagissent avec l’excès de méthane pour donner des ions
secondaires.
4 Chapitre 1 SPECTROMÉTRIE DE MASSE
O
% du pic de base
IE
H3CO
165
CH3
100
H3CO
M+
3,4-diméthoxyacétophénone
C10H12O3
M : 180
50
43
15
51
77
0
50
IC Gaz Réactif Méthane
94
137
109
100
180
m/z
200
150
% du pic de base
181
100
[M+1]+ = M+H+
[M+29]+ = M+C2H5+
[M+41]+ = M+C3H5+
50
209
0
50
100
m/z
150
221
200
FIGURE 1.3 Spectres IE et IC de la 3,4-diméthoxyacétophénone.
CH3+ + CH4→ C2H5+ et H2
CH4 + C2H5+→C3H5+ et 2H2
Le contenu énergétique des divers ions secondaires (provenant respectivement, du méthane, de l’isobutane et de l’ammoniac) décroît dans l’ordre suivant : C3H5+ > i-C4H9+ > NH4+. Il
est donc possible, en choisissant le gaz réactif, de contrôler la
tendance à la fragmentation de l’ion [M + 1]+ produit par IC. Par
exemple, lorsque le méthane est le gaz réactif, le pic [M + 1]+ du
dioctylphtalate (m/z 391) est le pic de base ; et plus important,
les pics des fragments (m/z 113 et 149) représentent 30 à 60 %
de l’intensité du pic de base. Quand l’isobutane est utilisé, le pic
[M + 1]+ est encore important alors que les pics des fragments
ne représentent plus qu’environ 5 % du pic [M + 1]+.
La spectrométrie de masse par ionisation chimique n’est
ni performante pour la reconnaissance de pic (que ce soit
manuellement ou automatiquement) ni particulièrement utile
en élucidation de structure ; son principal intérêt réside dans la
détection de l’ion moléculaire et donc de la masse moléculaire.
1.3.2 Techniques d’ionisation
par désorption
Dans les techniques d’ionisation par désorption, les molécules
à étudier passent directement d’une phase condensée (matrice)
à la phase vapeur sous forme d’ions. Ces techniques sont principalement utilisées dans le cas de composés lourds, non-volatils ou ioniques. Elles présentent des inconvénients parfois
importants. Les techniques de désorption n’utilisent générale-
ment pas les échantillons de manières très efficaces. Souvent
l’information retirée est limitée. Pour des composés inconnus,
ces techniques servent principalement à fournir la masse moléculaire et parfois une masse exacte. Toutefois, même pour ces
applications, il faut procéder avec précaution car l’ion moléculaire ou l’ion quasi-moléculaire n’apparaît parfois pas de façon
évidente. Il en résulte souvent des spectres compliqués par de
nombreux ions provenant de la matrice.
1.3.2.1 Ionisation par désorption de champ. Dans la tech-
nique de désorption de champ (FD), l’échantillon est placé sur
un émetteur métallique disposant de micro-aiguilles de carbone.
Les micro-aiguilles activent la surface qui est soumise à une tension d’accélération et tient le rôle d’anode. Les gradients de très
haute tension à l’extrémité des aiguilles arrachent un électron à
l’échantillon et le cation formé est expulsé de l’émetteur. Les ions
générés ont très peu d’énergie excédentaire et se fragmentent
donc peu ; l’ion moléculaire est habituellement le seul observé en
quantité significative. Par exemple, aucun ion moléculaire n’est
observé par IE ou IC pour le cholest-5-ène-3,16,22,26-­tétrol.
Alors que le spectre de masse FD (figure 1.4) montre principalement l’ion moléculaire et pour ainsi dire aucune fragmentation.
1.3.2.2 Ionisation par bombardement d’atomes rapides.
Le bombardement par atomes rapides (FAB) met en jeu des
atomes de xénon ou d’argon très énergétiques (6 à 10 keV)
pour bombarder des échantillons dissous dans un liquide de
faible tension de vapeur (ex : glycérol). Cette matrice protège
l’échantillon des dommages excessifs dus aux radiations. Une
méthode similaire, la spectrométrie de masse par ionisation
5
1.3 Techniques d’ionisation
% du pic de base
IE
99
100
55
50
44
82
117
145
0
100
50
IC Gaz Réactif Isobutane
159
271
200
150
250
m/z
300
300
318
416
400
350
% du pic de base
99
100
50
100
200
150
% du pic de base
FD (18 MA)
CH3
100
50
0
100
350
400
434
CH3
OH
M+
CH2
OH
Cholest-5-ène-3,16,22,26-tétrol
C27H46O4
M : 434
HO
50
300
OH
CH3
CH3
250
m/z
417
381
255
50
0
399
283
271
150
200
m/z
250
300
350
400
FIGURE 1.4 Spectres de masse du cholest-5-ène-3,16,22,26-tétrol en impact électronique (IE), ionisation chimique (IC) et désorption
de champ (FD).
secondaire liquide, LSIMS, met en jeu des ions de césium
encore plus énergétiques (10 à 30 keV).
Ces deux techniques produisent des ions positifs (par captation de cation [M + 1]+ ou [M + 23, Na]+) et des ions négatifs
(par déprotonation [M – 1]–) ; les deux types d’ion sont habituellement mono chargés et, selon l’appareil, le FAB peut être
utilisé en mode haute résolution. Le FAB est utilisé en premier
lieu avec de grosses molécules non volatiles, en particulier pour
déterminer leur masse moléculaire. Pour la plupart des catégories de composés, le reste du spectre est moins utile, en partie car
la plage des basses masses peut être composée d’ions émanant
de la matrice elle-même. Toutefois, pour certaines familles de
composés, ceux formés de « building blocks », tels que les polysaccharides et les peptides, on peut obtenir des informations
structurales car la fragmentation a habituellement lieu au niveau
des liaisons, respectivement, glycosidiques et peptidiques,
offrant par-là une méthode de séquençage de ces composés.
La limite de masse pour les ionisations FAB (et LSIMS) se
situe entre 10 et 20 kDa et le FAB n’est vraiment performant
que jusque vers 6 kDa. Le FAB est le plus souvent équipé d’un
instrument à secteur magnétique à double focalisation avec une
résolution d’environ 0,3 m/z sur toute la gamme de masse ; il peut
cependant être couplé à la plupart des analyseurs. L’inconvénient
majeur du FAB est la présence dans le spectre d’un taux élevé
d’ions générés par la matrice, qui limitent la sensibilité et
peuvent masquer des ions de fragments importants.
1.3.2.3 Désorption-ionisation par plasma. La désorption-io-
nisation par plasma est une technique très spécialisée presque
exclusivement employée avec un analyseur à temps de vol (TOF)
(section 1.4.4). Les produits de fission du californium 252 (252Cf),
ayant des énergies dans la gamme 80-100 MeV, sont utilisés
pour bombarder et ioniser l’échantillon. Chaque désintégration
d’un noyau de 252Cf produit deux particules se déplaçant dans
des directions opposées. Le top départ est donné par le contact
de l’une des particules avec un détecteur. L’autre particule per-
6 Chapitre 1 SPECTROMÉTRIE DE MASSE
cute la matrice échantillon en éjectant des ions vers un spectromètre de masse à temps de vol (TOF-SM). Les ions formés
sont le plus souvent simplement, doublement ou triplement
chargés. Ces ions ont généralement une énergie trop faible pour
conduire à une fragmentation riche en informations structurales
comme par exemple le séquençage des polysaccharides et des
polypeptides. Le spectromètre de masse à temps de vol limite la
précision de la méthode. Cette technique permet d’analyser des
composés de masse moléculaire allant au moins jusqu’à 45 kDa.
1.3.2.4 Désorbtion-ionisation laser. Un faisceau laser pulsé
peut être utilisé en spectrométrie de masse pour l’ionisation
d’échantillon. Comme la méthode d’ionisation est pulsée, elle
doit être employée avec un spectromètre de masse soit TOF,
soit à transformée de Fourier (section 1.4.5). Deux types de laser
sont d’usage courant : un laser à CO2, qui émet dans l’infrarouge
lointain, et un laser néodyme/yttrium-aluminium-grenat (Nd/
YAG) quadruplé en fréquence, qui émet dans l’UV à 266 nm.
Sans l’assistance de matrice, la technique est limitée aux basses
masses moléculaires (< 2 kDa).
La technique est bien plus puissante assistée d’une matrice
(Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, ou MALDI).
Deux matériaux de matrice, l’acide gentisique* et l’acide
sinapinique, dont les bandes d’adsorption coïncident avec le
laser utilisé, sont couramment employés. Des échantillons de
masses moléculaires allant jusqu’à deux-cent mille à trois-cent
mille Da ont été analysés avec succès. Quelques pico-moles
d’échantillon sont mélangées à la matrice avant d’être irradiées
par une impulsion, qui provoque l’éjection d’ions (habituellement mono chargés mais on observe occasionnellement des
ions poly-chargés et des dimères) de la matrice vers le spectromètre de masse.
Ces ions, dont l’excès d’énergie est faible, n’ont qu’une faible
tendance à se fragmenter. Pour cette raison, cette technique
est très utile pour les mélanges. Le MALDI est le plus souvent utilisé avec un TOF-MS ou un spectromètre de masse à
transformée de Fourier (FT-MS ; les deux analyseurs de masse
permettent une mesure précise de la masse. De même que les
autres méthodes assistées d’une matrice, le MALDI souffre des
interférences avec les constituants de la matrice, qui est encore
exacerbée par la formation d’adduits. De ce fait, l’attribution
de l’ion moléculaire d’un composé inconnu peut être aléatoire.
1.3.3 Techniques d’ionisation
par évaporation
Il existe deux techniques importantes dans lesquelles les ions
ou, moins souvent, des composés neutres en solution (contenant souvent de l’acide formique) sont isolés par évaporation
des molécules de solvant, et simultanément ionisés en libérant les ions utilisés pour l’analyse de masse. Couplées à un
appareillage de chromatographie liquide, ces méthodes sont
devenues extrêmement populaires.
1.3.3.1 Spectrométrie de masse thermospray. Avec la technique thermospray, l’échantillon est introduit en solution dans
le spectromètre de masse au moyen d’un tube capillaire chauffé.
Le tube nébulise et évapore partiellement le solvant pour former
un courant de fines gouttelettes introduites dans la source d’ions.
Lorsque le solvant est totalement évaporé, les ions peuvent être
analysés. Cette méthode permet de traiter des flux importants
et des tampons ; ce fut une des premières solutions pour coupler
des spectromètres de masse avec la chromatographie liquide en
phase aqueuse. Cette technique a été largement supplantée par
l’électrospray.
1.3.3.2 Spectrométrie de masse par électrospray**. En
électrospray (ES) (figure 1.5), les ions sont générés à pression atmosphérique (ou proche) ; cette technique est d’ailleurs
­également appelée ionisation à pression atmosphérique (API).
L’échantillon en solution (habituellement dans un solvant
polaire volatile) pénètre la source d’ions via un capillaire en
acier inoxydable entouré d’un flux coaxial d’azote, appelé gaz
nébuliseur. L’extrémité du capillaire est maintenue à une tension élevée par rapport à une contre électrode. La différence
de potentiel produit un gradient de champ pouvant aller jusqu’à
5 kV/cm. Un aérosol de gouttelettes chargées se forme lorsque
Aérosol ESI / Gouttelettes
avec excès de charge surfacique
Spectromètre
de masse
Gaz nébuliseur
Aiguille du nébuliseur
Plaque chargée
Solvant / Échantillon
Gaz nébuliseur
Entrée du capillaire
2-5 kV
Alimentation
FIGURE 1.5 Schéma montrant l’évaporation conduisant aux ions isolés dans un appareil à électrospray.
* Acide 2,5-dihydroxybenzoïque
** Aussi appelée électonébulisation.
7
1.3 Techniques d’ionisation
la solution quitte le capillaire. Le flux de gaz nébuliseur dirige
les effluents vers le spectromètre de masse.
Dans l’aérosol, la taille des gouttelettes diminue avec l’évaporation du solvant, la concentration en ions chargés augmentant en conséquence. Quand la répulsion électrostatique entre
les ions atteint un point critique, les gouttelettes subissent ce
que l’on nomme une « explosion Coulombique », qui libère les
ions dans la phase vapeur. Les ions désolvatés sont focalisés
par plusieurs échantillonneurs vers l’analyseur de masse.
La SM électrospray connaît une intense activité depuis les
années 1990, essentiellement pour des composés présentant
plusieurs sites chargés. Les protéines par exemple forment des
ions poly chargés. Puisqu’un spectromètre de masse mesure
un rapport masse sur charge (m/z) et non pas directement la
masse, ces ions poly chargés apparaissent à des valeurs de
1
1 1
masse apparentes de 2 , 3 ,… n de leur masse réelle, où n est
le nombre de charges (z). Les grosses protéines peuvent porter
40 charges ou plus, ce qui permet de détecter des molécules de
masse allant jusqu’à 100 kDa, avec des spectromètres de masse
conventionnels à quadripôle, secteur magnétique ou piège
ionique. Les spectres présentent une série de pics à des masses
croissantes, correspondant aux ions pseudo ­moléculaires
­possédant séquentiellement un proton de moins et donc une
charge de moins.
La détermination de la masse réelle de l’ion impose de
connaître la charge de l’ion. Si deux pics différant d’une seule
charge, peuvent être identifiés, le calcul relève alors de l’algèbre
élémentaire. Rappelons-nous que chaque ion d’une molécule
(Ms) a la formule générale (Ms + zH)z + où H est la masse d’un
proton (1,0079 Da). Pour deux ions différant d’une charge,
HO OH
% du pic de base
ES
100
H OH
HO
H
HO
H
H
m1 = [Ms + (z + 1) H]/(z + 1) et m2 = [(Ms + zH)/z]. La résolution
simultanée des deux équations donne, z = (m1 – H)/(m2 – m1).
Un programme simple automatise le calcul pour chaque pic
du spectre et calcule directement les masses.
De nombreux fabricants proposent des spectromètres de
masse peu coûteux dédiés à l’électrospray pour deux raisons.
Premièrement, la technique est à la fois performante et simple
à mettre en œuvre. Deuxièmement, l’analyse de protéines et de
peptides s’est beaucoup développée et l’électrospray est probablement la technique la plus adaptée.
La figure 1.6 compare les spectres de masse IE (en bas) et
ES (en haut) du lactose. Le lactose est étudié plus en détail au
chapitre 5. Le spectre IE est absolument inexploitable car le
lactose est peu volatil et thermiquement labile ; le spectre ne
montre aucun pic caractéristique. Le spectre ES montre un pic
moléculaire de faible intensité à m/z 342 et un pic à [M + 23]+
caractéristique de l’ion moléculaire plus sodium. Ces adduits
sont très courants de par l’omniprésence du sodium dans les
solutions aqueuses.
Le spectre ES d’un tétra-peptide composé de valine, glycine, sérine et acide glutamique (VGSE) est présenté à la
figure 1.7. Le VGSE est également étudié au chapitre 5. Le pic
de base est l’ion [M + 1]+ à m/z 391 et l’intensité de l’adduit de
sodium, [M + 23]+ est de presque 90 % de celle-là. De plus,
on accède à des informations utiles sur la fragmentation,
caractéristique de chacun des acides aminés. Pour des petits
peptides, il n’est pas rare d’avoir une fragmentation intéressante mais cela est moins vrai pour les protéines.
Les méthodes d’ionisation sont récapitulées dans le
tableau 1.1.
OH
H
O
HO
H
H H OH
% du pic de base
150
100
50
m/z
250
300
350
200
m/z
250
300
350
57
60
85
50
103
131
0
M+
342
251
200
73
100
H
OH
200
IE
[M+23]+ (Na)
O
Lactose, C12H22O11, M : 342
50
0
365
50
100
FIGURE 1.6 Spectres IE et ES du lactose.
163
150
191
8 Chapitre 1 SPECTROMÉTRIE DE MASSE
OH
5C
4 CH3
3 CH
H2N
1
2
O
Valine (V)
C5H10ON
M : 100
ES
% du pic de base
CH3
CH C
N
H
2
1
CH2 C
O
3 CH2
N
H
1
CH C
2
O
3 CH2
N
H
Glycine (G) Sérine (S)
C2H3ON
C3H5O2N
M : 57
M : 87
CH C
1
OH
O
2
[M + 1]+
[M + H]+
Glutamate (E)
C5H8O4N
M : 146
391
[M + 23]+
[M + Na]+
413
100
M-(V,G)
235
50
4 CH2
OH
5
O
M-(E,S)
M-(V)
M-(E)
150
292
M-17
244
157
373
250
200
m/z
300
350
400
FIGURE 1.7 Spectre électrospray (ES) du tétra-peptide VGSE dont la structure est donnée sur la figure. Voir les explications dans le texte.
TABLEau 1.1 Résumé des techniques d’ionisation.
Technique d’ionisation
Ions formés
Sensibilité
Impact électronique (IE)
M+
ng – pg
Ionisation chimique (IC)
Désorption de champ (FD)
Bombardement d’atomes
rapides (FAB)
M + 1, M + 18, etc.
M+
M + 1,
M + cation,
M + matrice
M+
M + 1,
M + matrice
M+
M+,
M++,
M+++, etc.
ng – pg
μg – ng
μg – ng
Désorption plasma
Désorption laser
(LD / MALDI)
Thermospray
Électrospray (ES)
μg – ng
μg – ng
μg – ng
ng – pg
1.4 Analyseurs de masse
L’analyseur, qui sépare le mélange d’ions généré à l’étape d’ionisation par ordre de m/z afin d’obtenir un spectre, est le cœur
du spectromètre. Il en existe différents types qui ont chacun
leurs propres caractéristiques. Chacun des principaux types est
décrit ci-après. Cette section se termine par une brève discussion sur la SM tandem et les techniques associées.
1.4.1 Spectromètres de masse à secteur
magnétique
Les spectromètres de masse ont initialement été développés au
début du vingtième siècle ; en 1922, le prix Nobel de chimie a,
Avantages
Inconvénients
Possibilité de recherche
dans des bases de données
Informations structurales
M+ généralement présent
Composés non volatils
Composés non volatils
Informations sur le séquençage
M+ parfois absent
Composés non volatils
Composés non volatils
Technique pulsée
Composés non volatils
Composés non volatils
Interface possible avec CL
phase aqueuse
Forme des ions poly-chargés
Interférence avec la matrice
Interférences avec la matrice
Peu d’informations structurales
Équipement spécialisé
Interférence avec la matrice
Difficulté d’interprétation
Dépassé
Classes de composés limitées
Peu d’informations structurales
entre autres, récompensé le développement du spectrographe de
masse. Tous les premiers instruments étaient à secteur magnétique. Dans un spectromètre de masse à secteur magnétique, un
champ magnétique dévie circulairement la trajectoire des ions
(voir la figure 1.8). Même si les premiers spectromètres de masse
commercialisés étaient à secteur magnétique, ceux-ci sont toujours importants aujourd’hui. La séparation des ions est fondée
sur le rapport m/z ; les ions les plus légers étant plus déviés
que les ions les plus lourds. La résolution dépend de chaque
ion entrant dans le champ magnétique (depuis la source) avec
la même énergie cinétique, obtenue en accélérant les ions (de
charge z) par une tension V. Chaque ion acquiert une énergie
cinétique E = z V = mv2/2. Quand un ion accéléré entre dans le
champ magnétique (B), il subit une force (Bzv) qui courbe sa trajectoire perpendiculairement à sa direction initiale. L’ion évolue
9
1.4 Analyseurs de masse
Séries de lentilles
Ionisation
Secteur magnétique (B)
Introduction
de l’échantillon
N
Fentes du collecteur
Ordinateur
B0
Détecteur
FIGURE 1.8 Diagramme schématique d’un analyseur à secteur 180° et focalisation simple.
Le champ magnétique (B0) est perpendiculaire à la page. Le rayon de courbure varie d’un instrument à l’autre.
Séries de lentilles
Ionisation
r = 35 cm
Φm = 65o
Ordinateur
Détecteur
Fente de focalisation
Élément de focalisation
Secteur électrique
Fentes du collecteur
Secteur magnétique
(B)
Introduction
de l’échantillon
FIGURE 1.9 Schéma d’un spectromètre de masse à double focalisation.
maintenant sur une trajectoire c­ irculaire de rayon r, donnée
par Bzv = mv2/r. Les deux équations peuvent être combinées
pour conduire à l’équation familière d’un secteur magnétique :
m/z = B2r2/2V. Puisque le rayon de l’instrument est fixe, le champ
magnétique est balayé pour focaliser successivement les ions de
m/z différents. Comme le montrent ces équations, un appareil à
secteur magnétique sépare les ions sur la base de leur moment,
qui est le produit de la masse par la vitesse, plutôt que sur la
seule masse ; en conséquence, des ions de même masse mais
d’énergies différentes seront focalisés en des points différents.
Un analyseur électrostatique (ESA) peut considérablement
réduire la distribution d’énergie d’un faisceau d’ions en forçant les
ions de même charge (z) et énergie cinétique (indépendamment
de la masse), à suivre la même trajectoire. Une fente à la sortie de
l’ESA focalise encore le faisceau d’ion avant qu’il entre dans le
détecteur. La combinaison d’un ESA et d’un secteur magnétique
est appelée double focalisation, car les deux champs contrecarrent
les effets dispersifs que chacun a sur la direction et la vitesse.
La résolution d’un appareil à secteur magnétique à double
focalisation (figure 1.9) peut atteindre 100 000 grâce à l’utilisation de fentes extrêmement étroites. Cette résolution très
élevée permet la mesure de « masses exactes », offrant un accès
univoque à la formule moléculaire, ce qui en fait une technique
de choix. En comparaison, des fentes donnant une distribution
d’énergie correspondant à une résolution de 5 000 ont une précision d’au moins 0,5 m/z sur la plage des masses, c’est-à-dire la
« résolution unitaire » utilisée dans un spectromètre de masse
standard. Les appareils à secteur magnétique commerciaux
sont limités à des m/z d’environ 15 000. Bien que cela soit
théoriquement possible, des aspects pratiques empêchent de
repousser cette limite.
1.4.2 Spectromètres de masse
quadripolaires
L’analyseur quadripolaire (parfois abrégé en QMF pour filtre
de masse quadripolaire), également appelé quadripôle de transmission, est beaucoup moins encombrant et onéreux qu’un
appareil à secteur magnétique. Un quadripôle (schématisé à la
figure 1.10) se compose de quatre barreaux (de 100 à 200 mm
de long) cylindriques (ou de section hyperbolique) parallèles
10 Chapitre 1 SPECTROMÉTRIE DE MASSE
Faisceau d’ions
Chambre
d’ionisation
+
Quadripôle
Ions résonnants
+
Détecteur
Lentilles source
Tension DC et RF
FIGURE 1.10 Représentation schématique d’un «filtre de masse» quadripôle ou séparateur d’ion.
entre eux, placés aux sommets d’un carré. Une analyse mathématique complète du quadripôle est complexe mais son fonctionnement peut être décrit en termes simples. Cet analyseur de
masse non magnétique emploie une tension continue, modifiée
par une tension radiofréquence, appliquée aux barreaux. Les
ions sont introduits à une extrémité du « tunnel » formé par les
quatre barreaux, au centre du carré et se déplacent le long de
son axe.
Pour chaque combinaison de tension continue et de modulation à la fréquence appropriée (toujours selon un rapport
constant), seuls les ions d’un m/z donné ont une trajectoire
stable et donc traversent le quadripôle pour atteindre le détecteur. Tous les ions de m/z différents ont des trajectoires instables ou erratiques et percutent un des barreaux ou sortent du
quadripôle. On peut se représenter facilement le quadripôle
comme un filtre de masse réglable. En d’autres termes, tous
les ions entrent d’un côté mais seuls les ions d’un m/z donné
sortent de l’autre. En pratique, le filtrage peut être réalisé extrêmement rapidement, à tel point que l’intégralité de la gamme
de masse peut être balayée en moins d’une seconde.
Le développement du QMF a transformé la spectrométrie
de masse pour toujours. Moindre coût et simplicité d’utilisation ont conduit à des instruments « de paillasse », qui en retour
ont amené les chimistes et les techniciens à les utiliser en routine. De plus, les temps de balayage très rapides permettent le
couplage du spectromètre de masse quadripolaire à un chromatographe en phase gazeuse.
Du point de vue de la résolution et de la plage de masse, le
quadripôle est généralement inférieur au secteur magnétique.
Par exemple, la gamme de masse est couramment limitée à
des m/z de 5 000. En revanche, la sensibilité est généralement
très élevée puisqu’il n’est pas nécessaire d’employer une fente
qui éliminerait une fraction des ions. Un avantage important
du quadripôle est qu’il est d’autant plus efficace qu’il agit sur
des ions dont la vitesse est faible, cela signifie que la source
d’ions peut travailler à un faible potentiel (donc à basse tension). Puisque les ions entrants ont généralement une énergie
inférieure à 100 eV, le quadripôle est idéal pour être connecté
à un système de chromatographie liquide et à des techniques
d’ionisation à pression atmosphérique (API) comme l’électros-
pray (voir la section 1.3.3.2). Ces techniques sont d’autant plus
performantes que l’énergie des ions est faible car cela réduit les
collisions à haute énergie avant leur entrée dans le quadripôle.
1.4.3 Spectromètre de masse à piège
ionique
Le piège ionique, également appelé piège ionique à quadripôle,
est parfois considéré comme une variante du quadripôle, car
il dérive directement des travaux de recherche sur les quadripôles. Toutefois le piège ionique est potentiellement bien
plus polyvalent et est certainement promis à un développement
important. Il fut un temps où le piège ionique avait mauvaise
réputation car les premières versions donnaient des résultats
inférieurs à ceux des quadripôles. Ces problèmes ont été résolus
et les spectres IE obtenus avec un piège ionique sont maintenant compatibles avec les bases de données commerciales. De
plus, le montage en piège ionique a une meilleure sensibilité
que celui en quadripôle et est systématiquement configuré pour
des expériences tandem, sans matériel complémentaire.
En un sens, un piège ionique est bien nommé car alors
qu’un quadripôle agit simplement comme un filtre de masse,
le piège ionique « piège » littéralement des ions pendant une
durée relativement longue, avec des conséquences importantes. Dans l’usage le plus simple, les ions piégés sont éjectés
successivement vers un détecteur pour produire un spectre de
masse conventionnel. Avant de décrire brièvement les autres
applications des ions piégés, il peut être utile de détailler le
piège ionique.
Il se compose généralement de trois électrodes (d’où le
nom de piège ionique quadripolaire 3D, ou QIT 3D qui lui
est souvent donné), l’une annulaire de face interne hyperbolique et les deux autres (électrodes chapeaux d’entrée et de
sortie), hyperboliques, aux extrémités (une vue en coupe d’un
piège ionique est représentée sur la figure 1.11). L’électrode
annulaire reçoit un champ radiofréquence sinusoïdal alors que
les deux autres sont soumises à l’un des trois modes suivants.
L’électrode ­chapeau peut être soumise au potentiel de masse,
à une tension CA ou CC.
11
1.4 Analyseurs de masse
Lentille de Heinzel,
élément central
Électrode annulaire
de la trappe
Chambre
d’ionisation
Lentilles source
Lentille de Heinzel,
premier élément
Électrodes
entrée / sortie
FIGURE 1.11 Coupe d’une trappe ionique.
Le déplacement des ions dans un piège ionique est mathématiquement décrit par l’équation de Mathieu. Les diagrammes de
stabilité ionique tridimensionnelle sont détaillés et discutés dans
les ouvrages de March et Hughes (1989) ou Nourse et Cooks
(1990). La grande variété d’expériences facilement réalisable
en jouant sur les trois paramètres tension RF, courant continu
ou alternatif font l’élégance du piège ionique (Voir March et
Hughes, 1989 pour plus de détails).
Le piège ionique peut fonctionner selon trois modes de base.
Premièrement, tension RF fixe et pas de polarisation entre les
électrodes chapeaux d’entrée/sortie et l’électrode annulaire :
tous les ions dans la limite d’un m/z donné seront piégés. Quand
la tension RF est augmentée, la limite de m/z diminue de façon
contrôlée et les ions sont successivement éjectés et détectés. Il
en résulte un spectre de masse standard et cette procédure est
nommée opération en mode « instabilité sélective de masse ».
Dans ce mode, le potentiel RF maximum applicable entre les
électrodes fixe limite la masse maximum. Les ions de masse
supérieure à cette limite sont éliminés quand le potentiel est
ramené à zéro.
Deuxièmement, tension continue entre les électrodes chapeaux d’entrée/sortie ; globalement, cela fait apparaître deux
limites, basse et haute, de m/z. Le champ d’application de ce
mode est gigantesque et les trappes ioniques sont la plupart
du temps utilisées dans cette configuration. Il est possible de
sélectionner jusqu’à une seule masse ionique. Un des usages
importants de ce mode est le suivi sélectif d’ion. Il n’y a pas de
limite pratique au nombre de masses ioniques qu’il est possible
de sélectionner.
Le troisième mode est similaire au deuxième avec en plus,
un champ oscillant auxiliaire entre les électrodes d’entrée/
sortie, cela permet d’augmenter sélectivement l’énergie cinétique d’un ion donné. Avec un champ auxiliaire faible, l’énergie
cinétique des ions choisis augmente lentement, durant ce temps
ils peuvent s’entrechoquer puis se fragmenter ; on fonctionne
alors parfois à près de 100 % en SM-SM. Si on considère à la
fois la sensibilité inhérente au piège ionique et le fonctionnement tandem à quasiment 100 %, l’utilisation du piège ionique
pour des expériences tandem SM surpasse de loin le « triple
quad » (voir ci-dessous).
L’addition d’énergie cinétique peut également être utilisée
pour éliminer du piège des ions indésirables. Il peut s’agir d’ions
provenant du solvant ou de la matrice en FAB ou LSIMS. Un
champ de fréquence constante à haute tension, durant la phase
d’ionisation éliminera sélectivement un ion. Ce mode permet
également de sélectionner plusieurs ions.
1.4.4 Spectromètres de masse à temps
de vol
Le concept de spectromètre de masse à temps de vol (TOF) est
assez simple. Les ions sont accélérés par un potentiel (V), on
les laisse ensuite « dériver » le long d’un tube jusqu’à un détecteur. En supposant que tous les ions se présentant à l’entrée
du tube ont la même énergie, donnée par zeV = mv2/2, alors
des ions de masses différentes auront des vitesses différentes :
v = (2zeV/m) 1/2 Si le tube du spectromètre à une longueur L, le
temps de vol d’un ion est donné par : t = (L2 m/2zeV) 1/2, d’où on
extrait facilement la masse d’un ion donné.
L’aspect critique de cet instrument par ailleurs très simple,
est la nécessité de produire les ions à des positions et temps
initiaux précisément connus. Ces contraintes limitent les spectromètres TOF à des techniques d’ionisation pulsées, dont la
désorption laser et plasma (MALDI, Désorption-Ionisation
Laser Assistée par Matrice).
La résolution des instruments TOF est généralement inférieure à 20 000 du fait de l’inévitable distribution de l’énergie
de l’ion. De plus, comme les écarts entre les temps d’arrivée
au détecteur peuvent être inférieurs à 10 –7 s, une électronique
ultrarapide est nécessaire pour atteindre la résolution adéquate. Points positifs, la gamme de masse de ces instruments
est illimitée et, comme pour les quadripôles, l’absence de
fente de résolution confère une excellente sensibilité. Cette
technique est donc particulièrement adaptée aux grosses bio
molécules.
INDEX
Absorbance (A), 71
Absorptions caractéristiques des groupes,
81, 121
Aimant supraconducteur, 129, 131, 132
Aimantation nette, 130, 131, 237, 240
Aimantation, verrouillage de spin, 263, 266
Angle de Ernst, 237
Angle dièdre, 164, 165
Anisotropie diamagnétique, 137, 138, 208,
213
Annulènes, 138
Atome lourd, effet, 216
Augmentation d’intensité par transfert de
polarisation sans distorsion (DEPT),
206 (Section 4.6), 246, 248, 271
Axe de symétrie (Cn), 154, 156, 202
Axe de symétrie alternant (Sn), 154, 156
Axe de symétrie simple (Cn), 154
Axe des fréquences, ν1, 239-241, 245-246
Axe des fréquences, ν2, 239-241, 245-246
B0, 129-130
Bas champ et haut champ, 135
Blindage, 135, 137, 138, 305
Blindage diamagnétique, 135, 316
Blindage paramagnétique, 305, 316
Carbone, couplage au 1H, 153, 200
Centre de symétrie (i), 154
Champ magnétique, force (B0), 129, 134-135,
196-197
Chimie quantique, calculs de, 140, 308, 316,
332
Chiralité, 158, 162-163, 205, 300, 332, 362
Cisaillement, 72, 73, 82
Cn (axe de symétrie), 154, 202
Collecteur d’ions, 2
Composés de référence, 135, 136, 208, 305308, 311, 316, 318, 328-330
Constante de blindage (σ), 135
Constantes de couplage 13C–1H, 153, 200
Contours, 239-240
Corrélation 13C–13C (INADEQUATE), 245,
254-256
Corrélation 1H–13C, 245-248
Corrélation hétéro-nucléaire 1H–13C à longue
distance avec détection du proton, 246
COSY (COrrelation SpectroscopY), 242
COSY 1H–1H, 242-246
Couplage, fort, faible, 140-141, 155, 156-158
Couplage, virtuel, 159-162
Couplage à longue distance, 141, 143, 144,
165, 189-190, 248, 251, 310, 317
Couplage des protons au 13C, 153, 200
Couplage des protons au 19F, 152, 311-316
Couplage des protons au 29Si, 153, 316-317
Couplage des protons au 31P, 153, 317-320
Couplage des protons au D, 152
Couplage faible, 143-144, 157-160
Couplage fort, 160 (Section 3.11.2)
Couplage géminal, 140, 141, 159, 162, 164165, 179, 242
Couplage spin-spin, 140 (Section 3.5), 189,
190, 200 (Section 4.2.5), 241
Couplage, fort, faible, 140-141, 155, 156-158
Couplage vicinal, 140, 141, 162, 164-165, 189
Couplages 1H–13C 2 J et 3J, 195, 200-202
Couplages carbone-carbone, 195, 254-258
Courant de cycle, 138
CPD (découplage par impulsion composite),
195, 246
CW (onde continue), 129
Cyclage de phase, 241, 245, 274
δ, échelle (déplacement chimique), 134 (Section 3.4), 196 (Section 4.2.2), 305
Dalton (Da), 1
Déblindage, 135-137
Découplage de spin, 166, 195 (Section 4.2.1),
246
Découplage des protons, 195 (Section 4.2.1)
Découplage en bande large des protons, 195,
246
Découplage hors résonance, 206
Découplage par intervalle inversé, 204, 205,
206, 207, 307, 308, 316
Découplage par intervalle, 195, 200, 237
Découplage proton-proton, 165
Découplage, hors résonance, 205
Décroissance du signal de précession (FID),
129-132, 134, 196, 198, 237, 238
Déformation (liaisons), 71-75
Degrés de liberté, 72
Délai entre impulsions, 195, 197, 204, 243
Déplacement chimique (δ), 134, 196, 198,
305, 306
Déplacement chimique, effet du solvant sur
le, 147-152, 192, 208, 232, 233, 308
Déplacements chimiques du 15N, 308
Déplacements chimiques du 19F, 311-316
Déplacements chimiques du 29Si, 316-317
Déplacements chimiques du 31 P, 317
DEPT, 206 (Section 4.6), 246, 248, 271
Désorption de champ (FD), 4, 5, 8
Désorption plasma, 5, 8, 11
Désorption-ionisation laser, 6
Détection inverse, 245, 310
Deutérium, 133, 152, 202, 305
Deutérium, échange, 149, 152
Diagonale COSY 1H–1H, 241-245
Diamagnétisme, 135
Dimension, 237-238
Dipôle magnétique, 128, 130
Dissociation induite par collision (CID), 12
Distribution de Boltzmann, 129, 130, 131,
133, 204, 307
Double focalisation, 5, 9
Double liaison partielle, 155
Double résonance, 165
Échange des protons OH, 147 (Section 3.6.1)
Échange par des opérations de symétrie, 154,
155, 205
Échange par inversion autour d’un centre de
symétrie (i), 154
Échange par réflexion sur un plan de symétrie, 154, 155, 202
Échange par rotation autour d’un axe de
symétrie simple (Cn), 154, 155, 202
Échange rapide, 138, 154, 155
Échelle delta (δ), 134 (Section 3.4), 196 (Section 4.2.2), 305
Effet Overhauser nucléaire, 166, 199, 200,
204, 307
Électronégativité, 136, 137, 197, 208, 209,
216
Électrospray (ionisation) (ESI), 6
Élimination d’eau, 22, 23
Élongation (liaisons), 73, 74
Énantiomères, 154
Énantiotopes, 154
Équivalence chimique, 153 (Section 3.8), 204
(Section 4.5), 246
Équivalence magnétique, 157 (Section 3.9)
Ernst, angle de, 237
Explosion coulombique, 7
19
F (déplacements chimiques et constantes de
couplage), 311-316
460 index
F (résonance magnétique nucléaire),
311-316
F1 (axe) (ν1), 240-241, 244-246
F2 (axe) (ν2), 240-241, 244-246
FAB (Fast Atom Bombardment), 4
FD (désorption de champ), 4, 5, 8
Ferromagnétique (impureté), 134
FID (free induction decay), 130-131, 134,
196, 198, 237, 238
Filtrage à double quanta COSY 1H-1H (DQFCOSY), 242
Formule moléculaire, 14, 46, 132, 331
Formule moléculaire et de fragment, 13, 15,
46, 67
Fragmentations, 1, 3, 16
Fréquence, de Larmor (νL), 129, 130, 200,
237, 307
Fréquence cycloïde, 12
Fréquence effective (νeff), 135
FT IR (infrarouge à transformée de Fourier),
76, 77
FT-MS (spectrométrie de masse à transformée de Fourier), 6, 12, 13
FT-NMR (RMN à transformée de Fourier),
129, 196, 237-240, 275
19
γ (rapport gyromagnétique), 129, 132, 133,
195-197, 202, 245, 307, 328-330
γ, effet, 208, 211, 214
Gain NOE, 166, 197, 199, 304, 307, 308, 316,
318
Gaz réactif, 3, 4
GC-FT-IR, 77
Géminal, couplage, 140, 141, 159, 162, 164165, 179, 242
Gradient de champ pulsé (Pulsed Field Gradient - PFG), 274 (Section 5.12)
H (deutérium), 133, 152-153, 202, 305,
328
3
H (tritium), 305, 328
Halogénures, effet des- sur les protons, 152
Haut champ et bas champ, 135
HETCOR (HETeronuclear Chemical Shift
CORrelation), 245-246
HETCOR à détection proton, 246
HMBC (Heteronuclear Multiple Bond Coherence), 246-248, 311
HMQC (Heteronuclear Multiple Quantum
Coherence), 245-246, 311, 320
HMQC-TOCSY, 264
HOHAHA (Homonuclear Hartmann-Hahn),
263
Homomères (molécules), 154
Homotopes, 154
Hors diagonal, 241, 242
Hydroxy, substituant, 89, 108, 147-149
i (Centre de symétrie), 154
I (nombre quantique de spin), 128, 129, 195,
328-330
IC (ionisation chimique), 3
IE (impact électronique), 3
Image miroir, 154
Impuretés, 134, 148, 149, 152, 192, 196, 202,
232, 233
Impuretés ferromagnétiques, 134
INADEQUATE (Incredible Natural Abundance DoublE QUAntum Transfer
Experiment), 254-258
Indice de déficience en hydrogène, 15, 331
Insaturation, degré d’-, 15
Intégration, 132, 138, 140, 146, 197
Intensité des pics, 13, 17, 71, 79, 128, 142,
166, 195, 197, 200, 204, 237
Interactions couplées, 74
Interchangeables, noyaux, 153, 154, 155, 204
Interconversion autour des liaisons simples
des chaînes, 155-157
Interconversion autour des liaisons simples
des cycles, 155
Interconversion autour d’une double liaison
partielle, 155
Interconversion, céto-énolique, 154-155
Interférogramme, 77, 239, 240
Interféromètre, 77
Inversion-récupération (méthode), 197, 199
Ion moléculaire, M+, 15
Ion moléculaire à haute résolution, 15
Ion parent, 12
Ionisation (méthodes), 3
Ionisation à pression atmosphérique (API), 6
Ionisation chimique (IC), 3
Ions fils, 12
Irradiation, sélective, 166, 167
Isotopes, 14, 15, 128, 195, 306, 328-330
2
λ (Lambda, longueur d’onde), 71
Larmor (fréquence) (νL), 129, 130, 200, 307
Liaison hydrogène, 75-79, 89-91, 94-102,
105-110, 147 (Section 3.6), 209, 308
Loi de Hooke, 72, 74
Longueur d’onde (λ), 71
μ (moment magnétique), 129, 328-330
M (masse molaire), 46
MALDI, 2, 6, 11
Masse/charge (m/z), 1
Matrice (désorption ionisation assistée par
laser - MALDI), 2, 6, 11
McLafferty, réarrangement, 18
Méthodes d’ionisation par évaporation, 6
Micromètres (µm), 71
Microns (µ, obsolète), 71, 93
Mode d’impact électronique (IE), 3
Modulation en fonction de t1, 240-241
Molécules diastéréomériques, 154
Moment angulaire, 128
Moment dipolaire, 72, 74
Moment magnétique (µ), 129, 328-330
Moment magnétique nucléaire (µ), 126,
328-330
Moment quadrupolaire, 129, 147, 150-152,
202, 306, 328-330
Moment quadrupolaire électrique, 129, 147,
150-152, 202, 306, 328-330
Multi-impulsionnelle, expérience, 237
Multiplicité, pics 13C, 196, 201, 207, 231
Multiplicité et intensité relative des pics, 142,
143, 146, 147
ν̃ (nombres d’onde en cm-1), 71, 72
ν (nu, fréquence en Hz), 71, 72, 82
14
N, isotope, 150, 306, 307, 328
15
N, constantes de couplage, 308
15
N, isotope, 307, 328
15
N, résonance magnétique nucléaire,
307-311
Nébulisation, 6
Newman, projections, 155, 156, 164
νL (fréquence de Larmor), 129, 130, 200, 237,
307
NOE (effet Overhauser nucléaire), 166, 197,
199, 200, 304
NOESY, 266
Nombre d’onde (ν̃), 71
Nombre quantique de spin (I), 128, 129, 195
Overhauser (effet Overhauser nucléaire),
166, 199, 200, 204, 307
P, constantes de couplage, 317
P, résonance magnétique nucléaire, 317-320
Paramagnétisme, 134
Pastille (KBr), 78
Pâtes, 78
Période d’évolution, 237, 238, 240, 241
Pic de base, 1
Pic HOD, 149
Pic hydroxylique, 147-149
Pics croisés, 240, 241, 244, 245, 246, 248,
251, 256, 263
Pics isotopiques, 14
Piège à ions, 10
Plan de symétrie, 154, 155, 156, 202
Point d’entrée, 242
Polarisation nucléaire dynamique (DNP),
133, 275
Polymères, 87 (Section 2.6.8)
Pople, notation, 144 (Section 3.5.3)
ppm (parties par million), 134
Précession, fréquence de, 130-131, 238, 241
31
31
index
Problèmes résolus, 331
Processus de relaxation, 130 (Section 3.2.3),
197 (Section 4.2.3), 237, 238, 306, 307
Protons et groupes méthyles diastéréotopes,
154, 156, 161, 162, 163, 165, 205, 236,
242, 246, 248, 251, 254, 256, 264, 271,
272
Proximité à travers l’espace, 166
Quadrature, détection, 132, 241
Quasimoléculaires, ions, 3
Quaternaires, carbones, 197, 202, 204, 206208, 246, 248, 251, 254, 257
Radiofréquence, 128-131
Raman, 74, 75
Rapport 13C/12C, 195
Rapport gyromagnétique (γ), 129, 133, 197,
199, 202, 245, 307, 328-330
Réarrangements, 18
Réceptivité (RMN), 305, 306, 328-330
Référence IUPAC des déplacements
chimiques, 305
Réflexion interne, 78
Réflexions internes multiples, 78
Région de l’empreinte digitale, 79
Région des groupes fonctionnels, 79
Règle de l’azote, 13
Relaxation longitudinale (T1), 131, 197 (Section 4.2.3), 237, 238, 306, 307
Relaxation spin-réseau (T1), 131, 197 (Section 4.2.3), 237, 238
Repère tournant, 237, 238, 366
Répulsion électrostatique, 7
Résolution, 2, 13, 132, 246
Résonance, fréquence, 129, 134, 196, 306,
328-330
Résonance de Fermi, 75, 79, 95, 98, 99, 101
RMN 13C quantitative, 197, 204 (Section 4.4)
RMN 2D, 236 (Chapitre 5), 237
RMN hétéronucléaire, 197, 245-248,
Chapitre 6
RMN ultrarapide, 275
ROESY, 266
Rotamères (conformation), 156, 157, 216
Rotamères gauches, 157, 216
Rotation moléculaire, 72
Rotation restreinte, 156
Satellites 13C, pics, 153, 195, 246, 248
Séparation des ions, 1, 2
Séquence d’impulsions, 197-199, 237, 238,
241, Chapitre 5
29
Si, composé de référence, 306, 316, 328
29
Si, constantes de couplage, 316-317
29
Si, gain NOE, 316-317
29
Si, résonance magnétique nucléaire,
316-317
Simulation de spectre, 136, 158
SM à transformée de Fourier, 6, 12, 13
SM pulsée, 6, 12
SM/SM (spectrométrie de masse tandem), 12
Sn (axe de symétrie alternant), 154, 156, 205
Solvant, effets, 93, 147 (Section 3.6), 192,
208, 216, 218, 309
Solvants deutérés, 131, 133, 191, 192, 201,
202, 231-233
Spectre dans le domaine des fréquences, 129
Spectre de vibration, 71
Spectre en phase vapeur, 77, 89, 96
Spectromètre infrarouge à transformée de
Fourier, 76
Spectromètre IR à dispersion, 76
Spectrométrie de masse quadripolaire, 9-12
Spectroscopie à transformée de Fourier à
impulsion, 129-131, 237
Spect roscopie de cor rélat ion, 2 40
(Section 5.3)
Spectroscopie de différence NOE, 166-167
Spin, relaxation, 130 (Section 3.2.3), 197
(Section 4.2.3), 237, 238
Substances paramagnétique, 135, 204, 307
Suivi sélectif, 11
Superposable, 154, 155
461
Symétrie, opérations et éléments, 153, 154
Systèmes de spins du premier ordre, 140-146,
205
Systèmes de spins, 140-144 (Section 3.5),
157, 202, 241, 242, 263, 264
T (transmittance), 71
T1, processus de relaxation, 130, 131, 197,
237, 238, 306
T2 , processus de relaxation, 130, 131, 237,
238
Tandem, SM, 12
Tautomérie, interconversion, 94, 106
Temps, signal dans le domaine du, 196
Temps de mélange, 241, 263-266
Temps de vol (TOF), 11
Thermospray, spectrométrie de masse, 6
TOCSY (TOtal Correlation SpectroscopY),
263
TOCSY 1D, 263-264
TOCSY 2D, 263
Tracés empilés, 199, 239, 263
Transfert de cohérence, 263, 164
Transfert de cohérence par relais, 263
(Section 5.8)
Transformée de Fourier, 6, 129, 196, 237238, 275
Transmittance (T), 71
Transverse, relaxation (T2), 131, 237, 238
Triangle de Pascal, 142, 202
Verrouillage de spin, 263, 266
Vibration moléculaire, 71-73
Vibration fondamentale, 72, 75
Vicinal, couplage, 140, 141, 162, 164-165,
189
Virtuel, couplage, 159-162
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