CHIMIE THÉORIQUE ET PHYSIQUE APPLIQUÉE À

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1 CHIMIE THÉORIQUE ET PHYSIQUE APPLIQUÉE À L ANALYSE STRUCTURALE DES BIOMOLÉCULES (CG 204) Prof. B. Wathelet UNITÉ DE CHIMIE BIOLOGIQUE INDUSTRIELLE Prof. M. Paquot NOTES DE TRAVAUX PRATIQUES Ir. S. Gillet Dr. A. Richel

2 ********************************************* Remarque préliminaire Ces notes de cours sont destinées aux étudiants de l Université de Liège-Gembloux Agro-Bio Tech. Elles servent à l apprentissage des méthodes spectroscopiques et constituent un support et une illustration pour l étude de la «Chimie Théorique et Physique appliquée à l analyse structurale des biomolécules» (B. Wathelet). Par ailleurs, ces notes sont exploitées comme base de données pour l interprétation des spectres. Ces notes de cours sont donc volontairement inspirées de la littérature et notamment des ouvrages suivants : - Silverstein, Webster, Kiemle. Identification spectrométrique de composés organiques 2 ème édition. De boeck université P. - Skoog, Holler, Nieman. Principes d analyse instrumentale 1ère édition. De boeck université P. - Rouessac, Rouessac. analyse chimique méthodes et techniques instrumentales modernes 5ème édition. Dunod P. - Cours de chimie Organique - G. Dupuis France - Chim Prof. R. Giasson. Université de Monttréal. Ces notes en format pdf ne sont pas destinées à être diffusées. ************************************************

3 CHAPITRE 1. LA SPÉCTROMÉTRIE INFRAROUGE (IR) S. Gillet IR

4 1. INTRODUCTION La spectrométrie est l étude des rayonnements électromagnétiques émis, absorbés ou diffusés par la matière. Les rayonnements électromagnétiques émis ou absorbés par les atomes et les molécules s étendent des rayons X jusqu aux ondes hertziennes, en passant par l ultraviolet, le visible et l infrarouge (figure 1). Figure 1: le spectre électromagnétique La grandeur caractéristique de chaque radiation est la fréquence υ, exprimée en hertz. Les grandeurs suivantes, qui se déduisent de la fréquence, sont également utilisées : la longueur d onde dans le vide λ = c/υ, où c est la vitesse de propagation dans le vide ; le nombre d onde ~ ν = 1/λ, exprimé en cm -1 ; l énergie hυ du photon associé à l onde, exprimé en électronvolts (1 ev = 1, J). Il existe plusieurs principes de subdivision du spectre électromagnétique selon la propriété étudiée (spectres d émission, d absorption, de réflexion de diffusion ), selon l origine de sa production et le mécanisme mis en jeu (spectre atomique, moléculaire, électronique, de vibration, de rotation ), d après son aspect (spectre de raies, de bandes, continu). S. Gillet IR

5 Selon la mécanique quantique, chaque atome ou chaque molécule peut être caractérisé par une suite discontinue d états d énergie, qui vont de l état fondamental E jusqu aux niveaux excités E e. Le mécanisme fondamental de l émission et de l absorption d un rayonnement est celui qui a été décrit par Bohr. Lors d une transition énergétique entre deux états E m et E n, il y a émission ou absorption d une radiation de fréquence υ telle que la variation d énergie du système : E = hυ = hc/λ. Le spectre électromagnétique d une espèce chimique correspond donc aux transitions permises entre les différents niveaux énergétiques LES SPECTRES ATOMIQUES En mécanique quantique, l énergie de l électron lié au noyau atomique est définie à l aide de quatre nombres quantiques : n, l, m, s. Pour chaque atome, les spectroscopistes ont établi les diagrammes des différents niveaux d énergie et les transitions possibles correspondant aux fréquences des radiations émises ou absorbées. Ainsi, on distingue habituellement les spectres optiques des spectres de rayon X. Les premiers correspondent à des transitions entre les niveaux d énergie possibles des électrons de valence (les plus éloignés du noyau) qui interviennent dans les réactions chimiques. Les radiations émises vont en général du domaine de l ultraviolet à celui du proche infrarouge. Les rayons X sont produits par des transitions qui intéressent les électrons proches du noyau LES SPECTRES MOLÉCULAIRES A l état de vapeur, les molécules, comme les atomes, ont des spectres constitués de fréquences distinctes mais les raies spectrales sont beaucoup plus nombreuses et dans certaines régions du spectre, elles forment des groupes ou bandes. Les niveaux énergétiques quantifiés caractéristiques d une molécule dépendent des états énergétiques des électrons, de l énergie de vibration de ses atomes les uns par rapport aux autres, et aussi de l énergie de rotation des groupes d atomes par rapport aux axes de symétrie ou de rotation de cette molécule. On peut considérer, sans tenir compte de l énergie de translation, qu un niveau énergétique E d une molécule résulte de la somme de trois termes, son énergie électronique (E e ), son énergie de vibration (E z ), son énergie de rotation (E r ) : E = E e + E z + E r. Mais une transition ne correspond pas nécessairement à une variation des trois sortes d énergie. Trois types de spectres peuvent être distingués : les spectres de rotation pure, les S. Gillet IR

6 spectres de rotation-vibration et les spectres électroniques, qui s étendent du domaine des radiofréquences à celui de l ultraviolet. La grande diversité des molécules ne permet pas de classer leurs spectres aussi facilement que ceux, en petit nombre, des atomes. Cependant, l expérience montre qu ils ont des bandes caractéristiques des groupes d atomes qui les constituent, ce qui est très utile pour déterminer leur structure. 2. LA SPECTROMÉTRIE INFRAROUGE 2.1. GÉNÉRALITÉS La spectroscopie infrarouge est une spectroscopie d absorption dont le principe repose sur l absorption d un rayonnement infrarouge par la matière organique. La région comprise entre 4000 et 400 cm -1 de nombre d onde est particulièrement utile au chimiste. Les régions du proche infrarouge ( cm -1 ) et de l infrarouge lointain ( cm -1 ) apportent parfois des informations intéressantes (figure 2). Figure 2 : Le spectre électromagnétique et les différentes régions de l infrarouge. Bien que le spectre infrarouge soit caractéristique de la molécule entière, il est vrai que certains groupes d atomes donnent naissance à des bandes de fréquences identiques ou S. Gillet IR

7 proches indépendamment de la structure du reste de la molécule. C est la persistance de bandes caractéristiques qui permet au chimiste d obtenir des informations utiles sur la structure par simple examen du spectre en se référant à des tables générales regroupant les fréquences des groupes caractéristiques. Ces dernières nous seront des plus utiles. Si le nombre d onde (ν ~ ) est inférieur à 100 cm -1, l énergie absorbée est convertie en énergie de rotation. Pour les nombres d onde compris entre et 100 cm -1, cette énergie est absorbée et convertie en énergie de vibration (figure 3). Le spectre de vibration apparaît sous forme de bande (plutôt que sous forme de raies) car une unique variation d énergie vibratoire s accompagne de nombreuses variations d énergie rotationnelle. Nous travaillerons donc à partir de ces bandes rotato-vibratoires, particulièrement celles comprises entre 4000 et 400 cm -1. Il existe deux types de vibrations moléculaires : les élongations et les déformations angulaires. Une vibration d élongation est un mouvement rythmique le long de l axe de la liaison impliquant l augmentation et la diminution de la distance inter-atomique. Une déformation angulaire consiste en une variation de l angle formé par deux liaisons successives, c'est-à-dire ayant un atome en commun, ou bien le mouvement d un groupe d atome par rapport au reste de la molécule, mais sans mouvement des atomes les uns par rapport aux autres. Par exemple, une torsion un balancement et une rotation impliquent une variation d angle entre liaison par rapport à des coordonnées arbitraires fixées au sein de la molécule (figure 3). Figure 3 : Vibrations moléculaires d élongation et de déformation angulaire. Les absorptions dues aux élongations sont quantifiées : la fréquence d oscillation dépend des masses des atomes et de la force du lien quantifié par la loi de Hooke (figure 4). S. Gillet IR

8 La loi de Hooke représente deux atomes et leur liaison comme un simple oscillateur harmonique composé de deux masses reliées entre elles. Ainsi la fréquence de vibration des atomes dépend de leurs masses et de la force de la liaison. ~ ν = 1 2πc ( M x M y f ) /( M x + M y ) 1 2 Avec : ν ~ le nombre d onde, c la vitesse de la lumière, f la constante de force de la liaison et M x et M y masses (en g) des atomes x et y. Figure 4 : Effet de la force de la liaison et de la masse des atomes sur la fréquence de vibration S. Gillet IR

9 Le modèle de l oscillateur harmonique permet de déterminer, de manière théorique et approximative, la «fréquence» de l absorption correspondant à la vibration d une liaison entre deux atomes (exemple : C-H). On sait déterminer le nombre de modes de vibration d une molécule possédant n atomes grâce aux relations : Modes de liberté de la molécule Linéaire Exemple : CO 2 Non linéaire Exemple H 2 O Degrés de liberté 3n 3n Modes de translation 3 3 Modes de rotation 2 3 Modes de vibration 3n-5 3n-6 Connaissant la fréquence d absorption associée à une vibration et le nombre de modes vibrationnels d une molécule, on doit donc prévoir le spectre infrarouge d un composé. Nous allons nous familiariser avec les notions indispensables à la compréhension des mécanismes impliqués dans la spectroscopie infrarouge à travers trois exemples : Celui de la molécule d eau, de la molécule de dioxyde de carbone et du groupement méthylène CAS DE LA MOLÉCULE D EAU Si on dénombre les modes de vibration, on trouve : Mode de liberté de la molécule H 2 O Degrés de liberté 3n = 3 x 3 = 9 Modes de translation 3 (non linéaire) Modes de rotation 3 Modes de vibration 9 6 = 3 On doit donc retrouver ces trois modes vibrationnels sur le spectre infrarouge de la molécule d eau. S. Gillet IR

10 Cependant, comme la molécule d eau est symétrique, et qu elle ne possède qu un seul type de vibrateur (O-H), on devrait s attendre à n observer qu une seule absorption d élongation. L utilisation du modèle de l oscillateur harmonique permet de déterminer que cette absorption se situe au-dessus de 3000 cm -1. Regardons le spectre infrarouge de l eau (figure 5). Figure 5 : Spectre infrarouge de la molécule d eau Il présente 3 bandes d absorption (il y a donc effectivement 3 modes de vibration comme le calcul le laisse prévoir), car il y a deux bandes d absorption dans la région des 3000 cm -1, mais celles-ci ont subit une coalescence. Nous avons également considéré que seule la vibration O-H était présente. En réalité, chaque élongation O-H n est pas isolée. Elle subit l influence de l autre puisque l atome d oxygène est commun. On parle alors de couplage (voir plus loin). En considérant les trois atomes simultanément, on peut décrire deux modes vibrationnels d élongation distincts (figure 6) qui se produisent chacun dans le plan de la molécule : - Le premier mode correspond à la vibration en phase des deux liaisons O-H. Pour cette raison, ce mode de vibration est appelé vibration symétrique. - Le deuxième mode correspond à une vibration en opposition de phase. Ce mode de vibration est appelé vibration asymétrique. S. Gillet IR

11 Le couplage des deux vibrateurs a pour effet de donner deux bandes d absorption, l une de fréquence supérieure, l autre de fréquence inférieure à la fréquence calculée par le modèle de l oscillateur harmonique pour le vibrateur isolé. L intensité de ces deux bandes est différente. Pour comprendre cette différence d intensité d absorption, il faut examiner les deux modes de vibration d élongation du point de vue de la variation du moment dipolaire de la molécule (figure 6). Figure 6 : Les modes vibrationnels de la molécule d eau. Le mode de vibration d élongation qui correspond à la plus forte variation du moment dipolaire est la vibration d élongation asymétrique. En effet, pour le mode de vibration en phase (symétrique), seule l intensité du moment dipolaire varie alors que pour le mode de vibration en opposition de phase (asymétrique), on observe à la fois une variation d intensité mais aussi de direction. Il reste une absorption dans la partie basse que nous n avons pas encore associée à un mode de vibration. Cette vibration correspond à une déformation de l angle des liaisons. L intensité associée à cette vibration de déformation du lien O-H dépend de la variation du moment dipolaire engendré par la vibration (figure 7). La vibration de liens polarisés donnera lieu à des bandes intenses, alors que les bandes de lien non ou peu polarisé (comme ceux retrouvés dans les molécules symétriques) seront peu ou pas visibles. Cette variation du moment dipolaire due à la déformation angulaire est plus faible que dans le cas de la vibration d élongation asymétrique. Il n est donc pas étonnant de trouver une intensité faible à la vibration de déformation associée à la molécule d eau. S. Gillet IR

12 Figure 7 : Influence de la variation du moment dipolaire sur l intensité des bandes d absorption. De manière générale, - La partie haute ( cm-1) correspond aux vibrations d élongation et est appelée la section des groupes fonctionnels car elle comporte la plupart des bandes qui sont caractéristiques de ces groupes fonctionnels. - La partie basse ( cm-1) correspond aux vibrations de déformation et est appelée la section des empreinte digitales parce qu elle comprend un très grand nombre de bandes aux formes variées. Si toutes les bandes de cette région se retrouvent dans deux spectres infrarouges, vous pouvez conclure qu il s agit de spectre du même composé. 2.3 CAS DE LA MOLÉCULE DE DIOXYDE DE CARBONE Le nombre de degrés de liberté de cette molécule est égal à 9 (puisqu elle comporte 3 atomes : 3 x 3 = 9). Cette molécule étant linéaire, elle présente : - 3 modes de translation - 2 modes de rotation, et donc = 4 modes de vibration S. Gillet IR

13 On doit donc retrouver ces quatre modes vibrationnels sur le spectre infrarouge de la molécule de dioxyde de carbone (figure 8). Figure 8 : spectre infrarouge de la molécule de CO 2 Dans la réalité, les deux types de vibration d élongation ne seront pas observés dans la partie haute du spectre. Dans le cas de l élongation symétrique, la molécule restant symétrique, le moment dipolaire reste nul et ne donne pas lieu à une absorption. Dans le cas de l élongation asymétrique, la molécule n étant pas symétrique, il se crée un moment dipolaire. Une seule bande d élongation sera donc observée dans la partie haute du spectre. Figure 9 : Les modes vibrationnels de la molécule de CO 2. Considérons maintenant les vibrations de déformation. La molécule présente une symétrie par rapport à l atome de carbone et une symétrie axiale. De ce fait, les deux déformations dans les deux plans orthogonaux sont en fait strictement identiques et on observe qu une seule bande d absorption (figures 8 et 9). S. Gillet IR

14 2.4. CAS D UN GROUPEMENT CH 2 Les divers modes d élongation et de déformation d un groupe AX 2 pris comme une fraction de la molécule, par exemple un groupe CH 2 dans une molécule d hydrocarbure, sont présentés à la figure 10. La règle 3n-6 ne s applique pas puisque le groupe CH 2 ne représente qu une portion de la molécule. Figure 10 : Les modes vibrationnels des groupements CH 2. *** En conclusion, il faut retenir que pour qu une vibration moléculaire soit active en infrarouge, une modification du moment dipolaire doit être observée pendant la vibration et la fréquence d absorption résultante doit être dans le domaine IR. S. Gillet IR

15 2.4. LIMITES DU MODÈLE Le nombre de vibrations fondamentales (fréquences d absorption) est rarement observé car les harmoniques (multiples d une fréquence donnée) et les bandes de combinaisons (somme de deux vibrations) accroissent le nombre de bandes, alors que le nombre théorique de bande est réduit dans les cas suivants : - Fréquences fondamentales tombant en dehors de la région comprise entre 4000 et 400 cm Bandes fondamentales trop faibles pour être observées. - Coalescences de vibrations fondamentales trop proches. - Présence d une bande dégénérée provenant de plusieurs absorptions de même fréquence dans des molécules hautement symétriques. - Vibrations fondamentales n apparaissant pas en IR par absence de variation du moment dipolaire de la molécule LES INTERACTIONS COUPLÉES Quand deux oscillateurs couplés partagent un atome, ils se comportent rarement comme des oscillateurs individuels à moins que les fréquences d oscillations individuelles ne soient vraiment différentes. Et ce parce qu il existe une interaction de couplage mécanique entre les oscillateurs. La molécule de dioxyde de carbone, par exemple, a deux vibrations fondamentales correspondant aux modes d élongation symétrique et asymétrique. L élongation symétrique n est pas active en infrarouge. Dans le mode d élongation asymétrique, les deux liaisons C=O s étirent en opposition de phase ; pendant qu une liaison C=O s étire, l autre se contracte. Cette absorption se fait à une fréquence plus élevée que celle observée pour un groupe carbonyle dans une cétone aliphatique. Cette différence dans les fréquences d absorption du carbonyle exemplifiée par la molécule de dioxyde de carbone résulte d un fort couplage mécanique (ou interaction). A l opposé, deux groupes carbonyles cétoniques séparés par un ou plusieurs atomes de carbone montrent une absorption carbonyle normale proche de 1715 cm -1 parce que le (ou les) atome(s) de carbone intermédiaire(s) empêche(nt) le couplage. S. Gillet IR

16 Les conditions requises pour que le couplage soit effectif peuvent se résumer comme suit : - Pour qu une interaction ait lieu, les vibrations doivent être du même groupe de symétrie. - Un couplage fort entre des vibrations d élongation nécessite le partage d un atome commun entre les oscillateurs. - L interaction est maximale quand les groupes couplés absorbent, individuellement, au voisinage de la même fréquence. - Le couplage entre les vibrations de déformation et d élongation a lieu si la liaison en élongation forme un coté de l angle déformé. - Le couplage entre les vibrations de déformation nécessite une liaison commune. - Le couplage est négligeable quand les groupes sont séparés par un ou plusieurs atomes de carbone et quand les vibrations sont perpendiculaires l une à l autre. Le couplage de deux modes de vibrations fondamentales produira deux nouveaux modes de vibrations avec des fréquences plus élevées et plus basses que celle observées quand l interaction est absente. Une interaction peut également avoir lieu entre des vibrations fondamentales et des vibrations combinées ou harmoniques. De telles interactions sont appelées «résonances de Fermi» LES LIAISONS HYDROGÈNES La force de la liaison hydrogène est maximale quand le groupe donneur de proton et l axe de l orbitale de la paire libre sont alignés. La force de la liaison décroît quand la distance entre les deux groupes augmente. Les liaisons hydrogènes modifient la constante de force des deux groupes, ainsi, les fréquences des vibrations d élongation et de déformation sont modifiées. Les bandes d élongation X-H (donneur de proton) se décalent vers les basses fréquences (longueur d ondes plus grandes), s élargissent et leurs intensités augmentent. La fréquence d élongation du groupe accepteur, par exemple C=O est également réduite mais dans une moindre mesure par rapport à celle du groupe donneur de proton. La vibration de déformation H-X, quant à elle, se déplace habituellement vers les longueurs d ondes plus courtes ; ce déplacement est moins prononcé que celui des fréquences d élongation. S. Gillet IR

17 3. L APPAREILLAGE 3.1. SPECTROPHOTOMÈTRE TRADITIONNEL À DOUBLES FAISCEAUX Figure 11 : Schéma d un spectromètre traditionnel à doubles faisceaux. La source est un filament incandescent qui émet sur l ensemble du spectre infrarouge. La radiation de la source est divisée en deux faisceaux par un miroir : les faisceaux de référence et échantillon. Les faisceaux sont dirigés dans le compartiment à échantillon où ils passent respectivement à travers les cellules de références et échantillon. A la sortie du compartiment à échantillon, un obturateur permet de bloquer alternativement un et l autre des faisceaux. On obtient un seul faisceau composé de segments alternants des faisceaux de référence et échantillon. Le faisceau combiné passe à travers le monochromateur (double réseau) pour produire un balayage de la bande de fréquences au détecteur. Ce détecteur (thermocouple) compare l intensité des segments de référence et échantillon pour chaque fréquence et produit un spectre de la transmittance (%) ou de l absorbance (UA) en fonction du nombre d onde (cm -1 ) ou de la longueur d onde (µm). S. Gillet IR

18 3.2. FTIR : SPECTROPHOTOMÈTRE MODERNE À TRANSFORMÉE DE FOURIER Figure 12 : Schéma d un spectromètre à transformée de Fourier. La radiation de la source est divisée en deux faisceaux par un séparateur de faisceaux. Un des faisceaux parcourt un chemin optique fixe, l autre un chemin optique de longueur variable à cause d un miroir mobile, avant d être recombinés, de traverser l échantillon et de frapper le détecteur. Quand la différence de chemin optique entre les faisceaux correspond à un multiple entier de la longueur d onde d une bande, on obtient une interférence constructive. Une interférence négative est obtenue lorsque la différence correspond à un multiple entier impair du quart de la longueur d onde. L ensemble des interférences positives et négatives produit un interférogramme. Celui-ci contient toutes les informations requises pour produire un spectre suite à une opération mathématique appelée transformée de Fourier. Les avantages de ce système sont une haute précision sur la fréquence, une acquisition des données très rapide, un traitement informatique des données ainsi qu un coût raisonnable. S. Gillet IR

19 3.3. LA PRÉPARATION DES ÉCHANTILLONS On peut obtenir un spectre infrarouge à partir de gaz, de liquide ou de solide. Pour les gaz et les liquides à bas points d ébullition, ils sont placés dans une cellule sous vide où il y aura expansion de l échantillon. Quant aux liquides, ils peuvent être analysés purs ou en solution. Les échantillons purs (figure 13A) sont placés entre deux fenêtres de sel d épaisseur variable (1 à 10 mg). Pour les échantillons en solutions (figures 13A et B), on place 0,1 à 1 ml de la solution de 0,05% jusqu à 10% dans les cellules mesurant 0,1 à 1 mm d épaisseur. Le solvant utilisé doit être sec et transparent dans la région observée (généralement CCl 4 et CS 2 ). Les échantillons solides sont sous forme de pâtes ou de pastilles. La pâte est formée par broyage de 2 à 5 mg d échantillon avec 1 à 2 gouttes d huile (nujol). On place alors le film obtenu entre deux fenêtres de sel. Les pastilles sont réalisées à l aide d environ 1 mg de produit à analyser avec 100 mg de bromure de potassium broyés puis mis sous pression (figure 13C). A B C Figure 13 : (A) échantillon sous forme de film entre des pastilles de NaCl (liquide) ; (B) échantillon en solution dans les cellules (liquides et solides) ; (C) Échantillon solide dans une pastille de KBr (solides). S. Gillet IR

20 4. ABSORPTION CARACTÉRISTIQUE DES GROUPES DANS LES MOLÉCULES ORGANIQUES 4.1. INTRODUCTION Il n y a pas de règles strictes pour l interprétation d un spectre infrarouge. Cependant, avant toute interprétation, certaines conditions doivent être remplies : - Le spectre doit présenter une résolution et une intensité adéquate ; - Le spectre devrait être celui d un composé raisonnablement pur ; - Le spectrophotomètre doit être calibré afin d observer les bandes à leur juste nombre d onde. Un bon calibrage doit être fait avec des standards fiables tels que par exemple, un film de polystyrène ; - Le conditionnement de l échantillon doit être spécifique. Pour une solution, le solvant, la concentration et l épaisseur du film doivent être indiqués. Un spectre infrarouge est un graphique représentant en abscisses la position des bandes sous la forme de nombre d onde ~ ν (cm -1 ) et en ordonnée l intensité de ces bandes. Les intensités de bandes peuvent être exprimées soit en transmittance (T) soit en absorbance (A). Les chimistes notent habituellement les intensités de manière semi-quantitative : s = strong ; m = medium et w = weak. Remarque : dans la suite du présent document, le sigle fait référence à un doublet d électron partagé entre deux liaisons. En particulier, C C représentera une liaison entre deux carbones appartenant à un cycle aromatique (Ar), ces carbones étant stabilisés par résonance. Les sigles ν, δ, ρ se rapportent respectivement aux vibrations d élongation, de cisaillement et de rotation MARCHE À SUIVRE La marche à suivre lors de l analyse d un spectre infrarouge consiste à identifier, dans la section des «empreintes digitales» et dans la section des «groupes fonctionnels», les pics d absorption caractéristiques de certaines fonctions des molécules (voir point 5.). Les S. Gillet IR

21 paragraphes suivants seront ainsi consacrés à la description des spectres IR des principales familles de molécules organiques LES ALCANES LINÉAIRES Les spectres des alcanes normaux sont interprétés en fonction de quatre vibrations qui sont l élongation et la déformation angulaire des liens C-H et C-C. Les plus caractéristiques sont celles provenant de l élongation et de la déformation angulaire des liens C-H. Les quatre vibrations de déformation sont appelées cisaillement, rotation plane, balancement et torsion. Les vibrations provenant des torsions et des balancements hors du plan des méthylènes ont peu d intérêt à cause de leur faible intensité et de leur variabilité. La vibration angulaire de C-C apparaît à de très bas nombres d onde (ν ~ ) et donc ne se situe pas dans nos spectres. L élongation C-C est entre 1200 et 800 cm -1. Elle est faible et présente donc peu d intérêt. Figure 14 : Dodécane. Elongation C-H : 2953 cm -1 ν as CH 3, 2870 cm -1 ν s CH 3, 2922 cm -1 ν as CH 2, 2853 cm -1 ν s CH 2. Deformation C-H : 1464 cm -1 δ s CH 2, 1450 cm -1 δ as CH 3, 1379 cm -1 δ s CH 3. Rotation plane CH 2 : 724 cm -1 ρch LES ALCANES RAMIFIÉS Les changements proviennent de modification des vibrations d élongation du squelette et de déformation des méthyles. L élongation d un C-H tertiaire apparaît vers 2890 cm -1, perdue dans celles des autres C-H et la déformation de C-H est observée sous forme d un fort doublet à cm -1 et cm -1 d intensité égale pour l isopropyle, de deux S. Gillet IR

22 bandes à cm -1 et 1370 cm -1 pour un ter-butyle et d un doublet dans la même région que l isopropyle et t-butyle pour un gem-diméthyle qui n est pas aux extrémités. Figure 15 : 2,2,4-triméthylpentane. Elongation C-H. Déformation C-H : Des doublets se chevauchent pour les groupes isopropyle et tertiobutyle vers cm LES ALCANES CYCLIQUES Les élongations des C-H sont les mêmes que celles des autres alcanes. Pour les déformations des C-H, la cyclisation diminue la fréquence (nombre d onde) de cisaillement des CH 2 : n-hexane 1468 cm -1, cyclohexane 1452 cm -1, cyclopentane 1455 cm -1, cyclopropane 1442 cm LES ALCÈNES Pour les alcènes, de nouveaux modes de vibration apparaissent qui sont l élongation C=C, l élongation C-H où C fait partie du lien alcène et la déformation dans et hors du plan des C-H. L élongation C=C, pour les alcènes linéaires non conjugués est moyenne à faible, de 1667 à 1640 cm -1. Les doubles liaisons internes absorbent moins fortement que les terminales. L élongation de C-H d alcène apparaît à des nombres d onde supérieurs à 3000 cm -1 pour les aromatiques, les hétéroatomes, les alcynes et les alcènes. La déformation de C-H alcène est située dans le même plan ou perpendiculaire à C=C. S. Gillet IR

23 Figure 16 : Dodéc-1-ène. Elongation C-H alcène à 3082 cm -1. Elongation C=C à 1648 cm -1. Déformation C-H hors du plan : 1000 cm -1 et 915 cm -1 (alcène). Rotation plane du méthylène : 730 cm LES ALCYNES Les deux vibrations d élongation des alcynes impliquent l élongation des liaisons C C (2260 à 2100 cm -1 ) et C-H (3333 à 3267 cm -1 ). L absorption due à la déformation de la liaison C-H est caractéristique de l acétylène et des alcynes mono-substitués. Figure 17 : Hept-1-yne. Elongation C-H, 3314 cm -1. Elongation C-H alkyle cm -1, cm -1. Elongation C C, 2126 cm -1. Déformation C-H : 1463 cm -1 δ s CH 2, 1450 δ as CH 3. Harmonique de déformation C-H, 1247 cm -1. Déformation fondamentale C-H, 637 cm LES HYDROCARBURES AROMATIQUES MONOCYCLIQUES Les bandes les plus importantes sont situées entre 900 et 675 cm -1. Ce sont des bandes fortes provenant de la déformation angulaire hors du plan des liens C-H du cycle. Les bandes S. Gillet IR

24 de déformation angulaire dans le plan des liens C-H du cycle apparaissent entre cm -1. Les vibrations du squelette, élongations C-C dans le cycle apparaissent généralement sous forme de doublets entre cm -1 et entre cm -1. Les bandes d élongation C-H Ar sont observées entre cm -1. Les bandes de combinaison et d harmonique apparaissent faiblement entre cm -1. L allure de ces bandes est caractéristique du type de substitution. Figure 18 : o-xylène. Elongation C-H aromatique, 3017 cm -1. Bandes méthyle, élongation C-H 3970, 2940, 2875 cm -1. Bandes harmoniques ou de combinaison, cm -1. Elongation de cycle C C aromatique, 1605, 1497, 1466 cm -1. Déformation C-H dans le plan, 1050, 1019 cm -1. Déformation C-H hors du plan, 741 cm LES HYDROCARBURES AROMATIQUES POLYCYCLIQUES (HAP) Les hydrocarbures aromatiques polycycliques présentent une absorption caractéristique dans les trois régions du spectre. Les vibrations d élongation des C-H et du squelette sont les mêmes que pour les monocycliques. L absorption la plus caractéristique est la déformation hors du plan des C-H situés entre 900 et 675 cm -1. Il existe une corrélation avec le nombre d H adjacents sur les cycles. Par exemple, les β-naphtalènes substitués présentent trois bandes dues à un atome d H isolé et à deux adjacents sur un cycle et quatre atomes adjacents sur l autre cycle. S. Gillet IR

25 4.10. LES ALCOOLS ET LES PHÉNOLS Les bandes proviennent des élongations des liens C-O et O-H : - Les groupes hydroxyles (OH) non-liés ou libres des alcools et des phénols absorbent fortement entre 3650 et 3580 cm -1. Les bandes étroites des hydroxyles «libres» n apparaissent qu en phase gazeuse ou dans les solutions très diluées dans les solvants non-polaires Les ponts H intermoléculaires augmentent avec la concentration de la solution ; et des bandes supplémentaires apparaissent entre 3550 et 3200 cm -1 aux dépends de la bande OH libre. - La vibration d élongation C-O produit une forte bande entre 1260 et 1000 cm -1. Ce mode d élongation est couplé avec la vibration d élongation du lien C-C adjacent. Pour les alcools primaires, elle est décrite comme une élongation asymétrique de C-C-O. La vibration de déformation angulaire de OH dans le plan apparaît entre 1420 et 1330 cm -1. Pour les alcools primaires et secondaires, il y a couplage avec balancement hors du plan de C-H. On observe donc deux bandes (1420 et 1330 cm -1 ) peu caractéristiques. Figure 19 : 2-méthylbutan-1-ol. Elongation O-H, en liaison hydrogène intermoléculaire 3337 cm -1. Elongation C-H, cm -1. Déformation C-H. Elongation C-O 1054 cm -1. S. Gillet IR

26 Figure 20 : Phénol (fondu). Large pic de liaison hydrogène intermoléculaire, élongation O-H, 3244 cm -1. Elongation aromatique, 3052 cm -1. Bandes harmoniques ou de combinaison, cm-1. Elongation de cycle C C aromatique, 1601, 1501, 1478 cm -1. Déformation OH dans le plan, 1378 cm -1. Elongation C-O, 1231 cm -1. Déformation C-H hors du plan, 815, 753 cm -1. Déformation du cycle C C aromatique hors du plan, 699 cm -1. Déformation O-H en liaison hydrogène hors du plan, environ 650 cm LES ÉTHERS Pour les éthers, la vibration d élongation de la liaison C-O-C se situe dans la même région que celle de C-C-C mais elle est plus intense et peut se coupler avec d autres vibrations. Pour les éthers aliphatiques, on observe une bande à 1125 cm -1 et s il y a une ramification sur les atomes adjacents, il y aura éclatement de la bande C-O-C. Figure 21 : Anisole. Elongation C-H aromatique, 3067, 3030, 3005 cm -1. Elongation C-H des méthyles, 2950, 2843 cm -1. Région d harmonique et de combinaison, cm -1. Elongation C C de cycle aromatique, 1601, 1501 cm -1. Elongation C-O-C asymétrique 1254 cm -1. Elongation C-O-C symétrique, 1046 cm -1. Déformation C-H hors du plan, 784, 761 cm -1. Déformation C C de cycle hors du plan, 699 cm -1. S. Gillet IR

27 4.12. LES CÉTONES Pour les cétones, aldéhydes, acides carboxyliques et dérivés, esters carboxyliques, lactones, amides, lactames, les absorptions des vibrations d élongations de C=O sont situées entre 1870 et 1540 cm -1. La position constante de ces absorptions dépend de l état physique, des effets électroniques, et de masse des substituants voisins, de la conjugaison, des ponts H et des tensions du cycle. L absorption est de forte intensité, indépendante vis-à-vis des bandes interférentes et est généralement la plus facile à reconnaître. L environnement de la liaison C=O abaisse ou augmente la fréquence d absorption ( nombre d onde). Si un alkyle est remplacé par un hétéroatome, l effet inductif diminue la longueur de liaison C=O et augmente la fréquence et l effet mésomère augmente la longueur de la liaison C=O et diminue la fréquence. Figure 22 : Acétone. ν as méthyle, 2995 cm -1. ν s méthyle 2918 cm -1. Elongation C=O normale, 1715 cm -1. δ as CH 3, 1422 cm -1. δ s CH cm -1. Elongation et déformation C-C(=O)-C, 1213 cm LES ALDÉHYDES Pour les aldéhydes, il y a une absorption d intensité moyenne vers 2720 cm -1, accompagnée d une bande carbonyle. Les vibrations d élongation C=O sont situées entre 1740 et 1720 cm -1 pour les aldéhydes aliphatiques et une substitution électronégative sur C α augmente le nombre d onde (ex : acétaldéhyde 1730 cm -1 et trichloroacétaldéhyde à 1768 cm -1 ). Par contre, une S. Gillet IR

28 insaturation conjuguée diminue le nombre d onde tout comme les ponts H internes. Les vibrations d élongation de C-H apparaissent sous forme de deux bandes d intensité moyenne entre 2830 et 2695 cm -1. Figure 23 : Octanal. Elongation C-H aldéhydique, 2715 cm -1. Elongation C=O aldéhydique, 1728 cm -1. Déformation C-H aldéhydique, 1381 cm LES ACIDES CARBOXYLIQUES Les vibrations d élongation de O-H sont observables pour des solutions très diluées dans les solvants polaires ou en phase gazeuse à 3520 cm -1 et pour les liquides, solides ou solutions diluées dans du CCl 4 > 0,01 M on observe une bande large et intense entre 3300 et 2500 cm -1, généralement centrée sur 3000 cm -1. L élongation des liens C-H est donc superposée à la bande du O-H. Les vibrations d élongation de C=O pour les acides carboxyliques sont plus intenses que pour les cétones. Pour les acides aliphatiques, l absorption se situe vers 1760 cm -1 et si le dimère possède un centre de symétrie, seul le mode d élongation de C=O s observe entre 1720 et 1706 cm -1. Les ponts H internes diminuent la fréquence et une insaturation provoque une faible diminution de la fréquence. Les vibrations d élongation de C-O et de déformation angulaire O-H apparaissent sous forme de deux bandes de 1320 à 1210 cm -1 pour C-O et de 1440 à 1395 cm -1 pour O-H. La S. Gillet IR

29 bande caractéristique pour les dimères est celle de la déformation angulaire hors du plan O-H lié, vers 920 cm -1 de largeur caractéristique et d intensité moyenne. Dans l anion carboxylate, il y a deux liaisons C-O fortement couplée et donc on observe en IR deux bandes dont une forte de 1650 à 1550 cm -1 (élongation asymétrique) et une plus faible vers 1400 cm -1 (élongation symétrique). Figure 24 : Acide hexanoïque. Large élongation O-H, cm -1. Elongation C-H, 2967, 2874, 2855 cm -1, superposée à l élongation O-H. Elongation du C=O carboxylique sous forme de dimère ou de monomère, 1717 cm -1. Déformation C-O-H dans le plan, 1424 cm -1. Elongation C-O, dimère, 1301 cm -1. Déformation O-H hors du plan, 946 cm LES ESTERS ET LES LACTONES Il y a deux fortes bandes dues aux élongations de C=O et C-O qui apparaissent à des nombres d onde supérieurs par rapport à des cétones normales : la forte bande d élongation de C-O dans la région ou une bande plus faible apparaît pour les cétones. Il y a recouvrement de la fréquence de C=O des esters et des lactones avec celle des acides mais les vibrations d élongation et de déformation angulaire de O-H ainsi que la possibilité de former de sels permettent de distinguer les acides. S. Gillet IR

30 Figure 25 : Acétate de phényle. Elongation C-H, 3075, 3052 cm -1. Elongation C=O, 1771 cm -1 : Cette fréquence est supérieure à celle de l élongation normale du C=O d un ester du fait de la conjugaison du phényle avec l oxygène de l alcool ; la conjugaison d un groupe aryle ou d une autre insaturation avec le groupe carbonyle provoque le décalage de l élongation C=O vers les basses fréquences. Elongation C C du cycle aromatique, 1601 cm -1. δ as CH 3, 1493 cm -1. δ s CH 3, 1378 cm -1. Elongation de l acétate C(=O)-O, 1223 cm -1. Elongation asymétrique O-C C aromatique, 1200 cm -1. La vibration d élongation C=O est observée entre cm -1 pour les esters aliphatiques saturés et entre 1730 et 1715 cm -1 pour les formates, les esters α, β-insaturés et les benzoates. Une conjugaison en plus a peu ou pas d effet. S il y a une insaturation adjacente à C-O pour des esters vinyliques et phényliques, il y a une augmentation marquée du nombre d onde du carbonyle et une diminution de C-O. Une substitution en α par un halogène augmente la fréquence. Les δ-lactones saturées absorbent dans la même région que les esters non conjugués à chaîne linéaire et une insaturation en α diminue la fréquence (nombre d onde). Quant à la vibration C-O, il y a deux vibrations asymétriques couplées C-C(=O)-O et O-C-C entre 1300 et 1000 cm LES HALOGÉNURES D ACIDE Les vibrations d élongation de C=O pour les halogénures d acide conduisent à une forte absorption qui apparaît entre 1815 et 1785 cm -1 pour les halogénures non-conjugués et à un nombre d onde inférieur pour les conjugués. Pour les aromatiques, on observe deux absorptions dont une forte entre cm -1 et une faible entre cm -1. S. Gillet IR

31 4.17. LES ANHYDRES D ACIDES CARBOXYLIQUES Les vibrations d élongation de C=O sont observables sous forme de deux bandes correspondant aux élongations asymétriques et symétriques de C=O. Pour les acycliques saturés elles sont situées entre cm -1, pour les acycliques conjugués entre cm -1 et pour les molécules cycliques à cinq chaînons, la fréquence est supérieure. Les vibrations d élongation de C-O présentent des bandes intenses résultant de l élongation du groupe C-C(=0)-O-C(=O)-C LES AMIDES Pour les amides, il existe plusieurs bandes caractéristiques dont la «bande I» qui est la bande d absorption du carbonyle et dont la position dépend des ponts H ainsi que la «bande II» qui correspond à la déformation angulaire de NH 2 ou NH. Pour les amides primaires, secondaires et quelques lactames, elle apparaît entre 1650 et 1515 cm -1. Cette absorption implique le couplage entre la déformation angulaire de N-H et d autres vibrations fondamentales et nécessite une géométrie trans. Le balancement hors du plan de N-H produit une large bande d intensité moyenne entre 800 et 666 cm Les vibrations d élongation de N-H : Une solution diluée dans des solvants nonpolaires donne deux bandes d intensité moyenne pour les amides primaires vers 3520 et 3400 cm -1 et entre 3500 et 3400 cm -1 pour les amides secondaires trans. Pour les solides, il y a absorption vers 3350 et 3180 cm -1 pour les primaires et des bandes multiples vers 3330 et 3060 cm -1 (dimères) pour les secondaires trans. - Les vibrations d élongation de C=0 («bande I») : pour les primaires, une bande forte vers 1650 cm -1 (solide) ou vers 1690 cm -1 (solution diluée). Pour les secondaires simples, une bande vers 1640 cm -1 (solide) ou vers 1680 cm -1 (solution diluée). Pour les tertiaires, l absorption est indépendante de l état physique car il n y a pas de liaisons H possibles entre deux amides. Il y en a cependant avec le solvant, ce qui donne une absorption entre 1680 et 1630 cm Les vibrations de déformation angulaire de N-H («bande II») : Pour les amides primaires, en solution diluée, il y a une bande étroite d intensité égale à la moitié ou au tiers de celle de C=O, vers cm -1. Pour les pâtes ou pastilles, les vibrations de déformation angulaire N-H sont situées entre 1655 et 1620 cm -1, sous la bande I. S. Gillet IR

32 De plus, la nature du groupe R a peu d effet. Pour les acycliques secondaires solides, il y a absorption entre 1570 et 1515 cm -1 et pour les solutions diluées, entre 1550 et 1510 cm On note également une élongation de C-N qui, pour les amides primaires, apparaît vers 1400 cm -1. La large bande visible entre 800 et 666 cm -1 est due aux balancements hors du plan de N-H. Figure 26 : Acrylamide. Elongation N-H couplée, amine primaire, en interaction hydrogène ; asymétrique 3352 cm -1 ; symétrique 3198 cm -1. Chevauchement élongation C=O, bande amide I, 1679 cm -1. Déformation N-H, bande II amide, 1617 cm -1. Elongation C-N, 1432 cm -1. Large déformation N-H hors du plan cm LES AMINES Il y a présence de vibrations d élongation de N-H. Pour les amines primaires, on observe deux faibles bandes vers 3500 et 3400 cm -1 (as et s) en solution diluées. Les aliphatiques pures absorbent entre 3400 et 3300 cm -1 ainsi qu entre 3330 et 3250 cm -1. Les aromatiques absorbent à des fréquences légèrement supérieures et on observe un épaulement pour les liquides. On a une bande unique entre 3350 et 3310 cm -1 (épaulement liquide) pour les amines secondaires et on n observe pas d absorption pour les amines tertiaires. Les échantillons d amines primaires et secondaires liquides montrent une large bande d absorption d intensité moyenne à forte vers cm -1, qui provient du balancement de N-H. La bande de déformation par cisaillement de N-H ( cm -1 ) est rarement détectable (sauf pour les amines primaires). S. Gillet IR

33 Il y a également présence de vibrations de d élongation de C-N. Pour les amines primaires, secondaires et tertiaires aliphatiques, les vibrations de d élongation de C-N apparaissent entre 1250 et 1020 cm -1 et entre 1342 et 1266 cm -1 pour les aromatiques. Enfin, l élongation C-N donne des bandes d absorption moyenne à faible entre 1250 et 1020 cm -1 chez les amines primaires, secondaires et tertiaires aliphatiques. Figure 27 : 2-Méthylpentan-1,5-diamine. Elongation N-H en interaction hydrogène, doublet couplé d amine primaire : asymétrique 3368 cm -1, symétrique 3291 cm -1 (Epaulement vers 3200 cm -1 ). Bande de la résonance de Fermi avec l harmonique de la bande à 1601 cm -1. Elongation C-H aliphatique, 2928, 2859 cm -1. Déformation N-H (cisaillement) 1601 cm -1. δ s CH 2 (cisaillement), 1470 cm -1. Elongation C-N, 1069 cm - 1. Balancement N-H (échantillon pur), entre 900 et 700 cm LES SELS D AMINE On observe des vibrations d élongation de N-H. Pour l ion ammonium, il y a une bande large et intense entre 3300 et 3030 cm -1 et une bande de combinaison entre 2000 et 1709 cm -1. Pour les sels d amines primaires, on observe une bande large et intense entre 3000 et 2800 cm -1 et des bandes de combinaison multiples entre 2800 et 2000 cm -1. Les sels d amines secondaires absorbent fortement entre 3000 et 2700 cm -1. De plus, il existe des bandes multiples jusque 2000 cm -1 et une bande d intensité moyenne vers 2000 cm -1. Les sels d amines tertiaires absorbent de 2700 à 2250 cm -1 et il n y a pas de vibration pour les quaternaires. On observe également des vibrations de déformation de N-H. L ion ammonium montre une bande de déformation angulaire de NH 4 + large et intense vers 1429 cm -1. Le S. Gillet IR

34 groupe NH 3 + de sel d amine primaire absorbe de 1600 à 1575 et de 1550 à 1504 cm -1, les sels d amine secondaire entre 1620 et 1560 cm -1 tandis que les tertiaires ont des absorptions de faibles intensités, sans aucune valeur pratique LES ACIDES AMINÉS ET LEURS SELS Les acides aminés primaires libres sont caractérisés par les absorptions suivantes : - Une bande d élongation large et intense du groupe NH + 3 entre 3100 et 2600 cm -1. Les bandes de combinaisons multiples et les bandes harmoniques étendent l absorption jusqu aux environs de 2000 cm -1. Cette région des harmoniques contient, en général, une bande prédominante vers les cm -1 attribuée à une combinaison de la déformation asymétrique du groupe NH + 3 avec l oscillation de torsion de ce même groupe. L oscillation de torsion apparaît vers 500 cm -1. La bande à 2000 cm -1 est absente si l atome d azote du groupe amino est substitué. - Une faible bande de déformation asymétrique du groupe NH + 3, vers cm -1 et une bande de déformation symétrique plus intense vers 1550 et 1485 cm L ion carboxylate C( O) 2 absorbe fortement entre 1600 et 1590 cm -1 et plus faiblement vers 1400 cm -1. Ces bandes résultent, respectivement, des élongations asymétriques et symétriques du groupe C( O) 2. Figure 28 : (±)-Leucine. Large élongation N-H (-NH + 3 ), cm -1, étendue par les bandes de combinaison à 2140 cm -1 et d autres bandes de combinaison harmoniques. Elongation C-H aliphatique (superposée à l élongation N-H), 2967 cm -1. Déformation N-H (NH + 3 ) asymétrique, 1610 cm -1. Elongation carboxylate (CO - 2 ) asymétrique, 1580 cm -1. Déformation N-H (NH 3 ) symétrique, 1505 cm -1. Elongation carboxylate (CO - 2 ) symétrique, 1405 cm -1. Oscillation de torsion N-H (NH + 3 ), 525 cm -1. S. Gillet IR

35 4.22. LES NITRILES Les spectres de nitriles (R-C N) sont caractérisés par une absorption faible à moyenne dans la région d élongation des triples liaisons. Les nitriles aliphatiques absorbent vers cm -1. Les atomes électro-attracteurs tels que l oxygène ou le chlore, liés à l atome de carbone en α du groupe C N réduisent l intensité de l absorption. La conjugaison, comme dans les nitriles aromatiques, abaisse le nombre d onde d absorption vers cm -1 et accentue l intensité de la bande. Figure 29 : α-méthylbenzylnitrile. Elongation C-H aromatique, 3067, 3030 cm -1. Elongation C-H aliphatique, 2944 cm -1. Elongation C N, 2249 cm -1. Déformation C-H hors du plan (cycle aromatique), 761 cm LES COMPOSÉS CONTENANT LES GROUPES -C N, C=N, -N=C=O ET N=C=S Les isocyanures, isocyanates, thiocyanates et isothiocyanates ont une élongation C N ou double liaison cumulée entre 2273 et 2000 cm -1. Le lien C=N des bases de Schiff (RCH=NR, imines), oximes, thiazoles, iminocarbonates, etc. absorbent entre 1689 et 1471 cm -1 et les azides vers 2140 cm LES COMPOSÉS CONTENANT LE GROUPE N=N- La vibration d élongation N=N d un composé azo trans symétrique est invisible en infrarouge. Les azobenzènes para-substitués (donneurs d électrons) non symétrique absorbent vers 1429 cm -1 (bandes faibles). S. Gillet IR

36 4.25. LES COMPOSÉS COVALENTS CONTENANTS DES LIENS AZOTE-OXYGÈNE Les nitro, nitrates, nitramines contiennent un groupe NO 2 dont l absorption est due à l élongation asymétrique (bande intense entre 1661 et 1499 cm -1 ) et symétrique de NO 2 (entre 1389 et 1259 cm -1 ). La position dépend de la substitution et de l insaturation vicinale au groupe NO 2. Figure 30 : Nitrobenzène. Elongation C-H aromatique, 3113, 3082 cm -1. Elongation asymétrique (ArNO 2 ) (N O) 2, 1532 cm -1. Elongation symétrique (ArNO 2 ) (N O) 2, 1355 cm -1. Elongation C-N pour ArNO 2, 853 cm -1. Les bandes à basses fréquences sont peu utiles à la détermination de la nature de la substitution du cycle puisque ce motif d absorption provient de l interaction des fréquences de déformation hors du plan de NO 2 et de C-H. L incapacité de la région des harmoniques à révéler des informations structurales est typique des composés aromatiques portants des substituants fortement polaires. Les vibrations les plus intéressantes sont celles d élongation du lien N-O. Les nitroalcanes absorbent vers 1550 et 1372 cm -1 et s il y a conjugaison, on observera deux bandes, de 1550 à 1500 et de 1360 à 1290 cm -1. Les groupes électronégatifs sur C α provoquent une augmentation de la fréquence de la bande asymétrique et une diminution de la fréquence de la bande symétrique de NO 2. Les composés nitro aromatiques absorbent à la même fréquence que les conjugués aliphatiques. Il y a interaction entre la déformation angulaire hors du plan de NO 2 et des C-H du cycle mais il n y a pas d interprétation fiable du mode de substitution. La vibration d élongation C-N est située vers 870 cm -1. S. Gillet IR

37 Les nitrates ont une vibration d élongation de N-O asymétrique forte entre 1660 et 1625 cm -1 et symétrique forte entre 1300 et 1255 cm -1. Les élongations des liaisons π du lien N-O absorbent de 870 à 833 cm -1 et entre 763 et 690 cm -1 pour les vibrations de déformation angulaire de NO 2. Les nitrites possèdent les absorptions les plus fortes en infrarouge. On observe deux fortes bandes d élongation N=O entre 1680 et 1650 cm -1 pour l isomère trans et entre 1625 et 1610 cm -1 pour l isomère cis. L élongation N-O est entre 850 et 750 cm -1. Les composés nitroso primaires et secondaires aliphatiques sont instables. Ils se réarrangent en oximes (dimérisation). Par contre, les tertiaires et aromatiques sont stables. Ils forment des monomères en phase gazeuse ou en solution diluée et des dimères dans les échantillons purs. Les monomères aliphatiques absorbent entre 1585 et 1539 cm -1 et les monomères aromatiques entre 1511 et 1495 cm LES COMPOSÉS ORGANIQUES SOUFRÉS - Les vibrations d élongation S-H (mercaptans) : pour les mercaptans aliphatiques, thiophénols, liquides ou en solution, ces vibrations sont entre 2600 et 2550 cm -1. Elles sont faibles et ne sont pas détectées pour des solutions diluées ou en films minces. C est une des seules absorptions dans cette région, mais elle peut être cachée par la forte absorption d un carbonyle. Par ailleurs, les ponts H sont plus faibles que pour O- H et N-H. Figure 31 : Hexan-1,6-dithiol. Elongation C-H aliphatique, 2936, 2859 cm -1. Elongation S-H légèrement faible, 2558 cm -1. Elongation C-S 730 cm -1. S. Gillet IR

38 - Les vibrations d élongation C-S et C=S : les vibrations d élongation des liens C-S et des sulfures sont situées entre 700 et 600 cm -1. Elles sont de faibles intensités et leurs position est variable et donc présente peu d intérêt. Pour les disulfures, ces vibrations sont très faibles et situées entre 500 et 400 cm -1. La liaison C=S est plus faible que la C=O et donc les vibrations apparaissent à des fréquences plus basses et sont plus sensibles aux effets de couplages. L identification est donc plus difficile et incertaine. L absorption des vibrations d élongation des liens C-S pour les thiocarbonyles apparaît entre 1250 et 1020 cm -1, dans la même région que les élongations de C-O et C-N. Des interactions considérables peuvent apparaître entre ces vibrations au sein d une même molécule. - Les vibrations d élongation de S=O : pour les sulfoxydes, les aryles et alkyles liquides ou en solution absorbent entre 1070 et 1030 cm -1 et une conjugaison provoque de faibles variations de la fréquence. Les diallyles absorbent à 1047 cm -1. Pour les sulfones, il y a l élongation de SO 2. On observe de fortes bandes entre 1350 et 1300 cm -1 et entre 1160 et 1120 cm -1. Les ponts H donnent une absorption entre 1300 et 1125 cm -1. Les chlorures de sulfonyles absorbent fortement de 1410 à 1380 cm -1 et de 1204 à 1177 cm -1. Pour les sulfonamides, il y a une forte absorption de 1370 à 1335 et de 1170 à 1155 cm -1. Pour les sulfonates, les sulfates et les acides sulfoniques, il existe des élongations asymétriques et symétriques et des bandes situées entre 1230 et 1120 cm -1 sont dues à l hydratation. Figure 32 : p-toluènesulfonate d éthyle. Elongation asymétrique S(=O) 2, 1355 cm -1. Elongation symétrique S(=O) 2, 1177 cm -1. Diverses élongations S-O-C intenses, cm -1. S. Gillet IR

39 4.27. LES COMPOSÉS ORGANIQUES HALOGÉNÉS L absorption des vibrations d élongation C-Hal est forte. Pour une molécule aliphatique possédant une liaison C-Cl, l absorption est située entre 850 et 550 cm -1 et si il y a plusieurs Cl au même C, on a une bande plus intense (CCl 4 : 797 cm -1 ). Pour les bromés, il y a absorption entre 690 et 515 cm -1, entre 600 et 500 cm-1 pour les iodés et pour les liaisons C-F entre 1400 et 730 cm -1. L absorption des vibrations d élongation C-Hal pour les chlorobenzènes est entre 1096 et 1089 cm -1. Sa position dépend de la substitution. Pour les fluorures d aryles, entre 1250 et 110 cm -1 et pour un cycle benzénique monofluoré, on observe une bande étroite et intense vers 1230 cm -1. Le balancement hors du plan CH 2 est applicable pour CH 2 X et situé entre 1300 et 1150 cm LES SILICONES L élongation de Si-H est située vers 2200 cm -1 et la déformation angulaire de Si-H de 950 à 800 cm -1. Si un groupe électronégatif est lié au Si, la fréquence augmente. Il existe également des vibrations SiO-H et Si-O. Ces vibrations sont dans la même région que les alcools, c'est-à-dire de 3700 à 3200 cm -1. Les bandes de Si-O sont intenses et situées entre 1110 et 830 cm -1 (importance des ponts H) LES COMPOSÉS HÉTÉROATOMIQUES On observe les mêmes modes de vibration que ceux observés pour les aromatiques : - L élongation de C-H : pyridines, pyrazines, pyrroles, furanes et thiophènes : entre 3077 et 3003 cm L élongation N-H est située entre 3500 et 3220 cm -1. Pour les pyroles et indoles, en solution diluée dans les solvants non-polaires, on observe une bande étroite vers 3495 cm -1 et une bande élargie vers 3400 cm -1 pour les solutions concentrées. - Les vibrations d extension du cycle (élongation) absorbent entre 1600 et 1300 cm -1. Elles correspondent à l élongation et à la contraction de toutes les liaisons du cycle. L apparence et l intensité relative des bandes dépendent du mode de substitution et de la nature des substituants. S. Gillet IR

40 - Les déformations angulaires hors du plan de C-H : L apparence de ce type d absorption est déterminée par le nombre d atomes d H se déformant en phase. S. Gillet IR

41 5. EXERCICES 5.1. DÉMARCHE S. Gillet IR

42 S. Gillet IR

43 S. Gillet IR

44 S. Gillet IR

45 S. Gillet IR

46 S. Gillet IR

47 5.2. ENONCÉS D EXERCICES 1A. C 6 H 12 1B. C 6 H 12 1C. C 6 H 12 S. Gillet IR

48 1D. C 6 H 12 S. Gillet IR

49 2A. C 7 H 14 2B. C 7 H 14 S. Gillet IR

50 3A. C 7 H 8 3B. C 9 H 12 3C. C 10 H 14 S. Gillet IR

51 3D. C 12 H 18 3E. C 8 H 10 S. Gillet IR

52 4A. C 4 H 10 O 4B. C 5 H 10 O 4C. C 4 H 8 O S. Gillet IR

53 4D. C 8 H 16 O 4E. C 6 H 12 O 4F. C 4 H 10 O S. Gillet IR

54 4G. C 7 H 14 O 4H. C 4 H 8 O 4I. C 5 H 12 O S. Gillet IR

55 4J. C 4 H 8 O 4K. C 9 H 18 O 2 Donné au TD 4L. C 5 H 10 O 2 4M. C 4 H 8 O 2 S. Gillet IR

56 4N. C 4 H 8 O 2 4O. C 4 H 8 O 2 S. Gillet IR

57 5A. C 3 H 9 N 5B. C 6 H 15 N 5C. C 6 H 15 N S. Gillet IR

58 5D. C 6 H 15 N 5E. C 6 H 15 N 5F. C 6 H 13 N S. Gillet IR

59 5G. C 8 H 11 N 5H. C 5 H 9 N 5I. C 8 H 11 N S. Gillet IR

60 5J. C 7 H 11 N Donné au TD 5K. C 13 H 13 N S. Gillet IR

61 6. Les spectres 6 A à D sont ceux de cétones isomères de formule C 6 H 10 O. Il s agit dans le désordre de : - 3-methylcyclopentanone - 4-methyl-3-penten-2-one - Cyclohexanone - 5-hexen-2-one Identifiez le spectre qui correspond à chaque formule brute et justifiez. 6A. C 6 H 10 O 6B. C 6 H 10 O S. Gillet IR

62 6C. C 6 H 10 O 6D. C 6 H 10 O S. Gillet IR

63 7A. C 11 H 19 ClO 7B. C 4 H 5 ClO 7C. C 6 H 9 ClO S. Gillet IR

64 5.3. EXERCICES CORRIGÉS 2 C. C 7 H 14 1) NS = ((2x + 2) y)/2 = ( ) / 2 = 1 Un cycle ou une double liaison. 2) Point 4 du protocole à suivre. Bande d élongation C=C faible vers 1650 Bande faible donc il y un peu de symétrie (moins de modification du moment dipolaire). L insaturation n est visiblement pas en bout de chaîne. (Voir théorie). Pas de bandes aromatiques. Bande juste au dessus de 3000 cm -1 (élongation alcène =C-H). Confirme l insaturation. Point 7 du protocole à suivre. Bandes d élongation C-H alcane à droite de 3000 cm -1 (methyles et methylènes as et s). Autre bandes vers 1450 cm -1 et 1375 cm -1 (déformation angulaire des C-H). S. Gillet IR

65 3) Annexes p 26. 4) Conclusions. trans RCH=CHR pas de bande forte vers 970 (déformation C-H hors plan). cis RCH=CHR correspond assez bien. Alcène cis. Double liaison centrale-symétrie. Proposition cis hept-3-ène. S. Gillet IR

66 4 K. C 9 H 18 O 2 A) NS = ((2*9 + 2) 18) / 2 = 1 Cycle, alcène, alcool, aldéhyde, cétone, ester, éther, anhydride, acide, B) Protocole à suivre. 1 - Présence d une bande carbonyle très évidente (1700 cm -1 ) 2 - Bande large vers cm -1 Groupement O-H Présence d une fonction acide + Théorie et Tables 7 - Bande d élongation C-H à droite de 3000 cm -1 (CH 2 et CH 3 ) - Déformation angulaire C-H à 1375 et 1450 cm -1 (CH 3 ) - Petit pic de balancement C-H à 720 cm -1 (CH 2, si plus de 7C) - pas ramifié car pas de cisaillement C-H méthyne à 1340 cm-1 (Bof) C) Tables : fonction acide. 920 : déformation angulaire O-H, hors du plan («Patate») D) Conclusions. - Molécule linéaire + présence de CH 2 et CH 3. - Fonction acide - L insaturation due au groupement carbonyle (C=O) - Proposition : Acide nonanoïque S. Gillet IR

67 5J. C 7 H 11 N A) NS = ((2*7 + 2) (11-1)) / 2 = 3 Chaîne Carbonée : triène, alcyne + alcène ou cycle, cyano + alcène ou cycle, B) Protocole à suivre Point 5 : des triples liaisons sont-elles présentes? C est possible Présence d une bande d intensité moyenne (élongation C N) vers 2250 cm -1 NITRILE Pas un alcyne C) Analyse des absorptions C-H et C=C Protocole point 4 : pas de bande vers 1650 cm -1 Visiblement pas un alcène L insaturation restante indique probablement un cycle Forte bande de cisaillement CH 2 vers 1450 cm -1 caractéristique des cycliques (voir théorie) Spectre propre, pas de vibrations CH 3 visibles D) Conclusions Nitrile Cyclique Constitué uniquement de CH 2 Proposition : Cyanocyclohexane S. Gillet IR

68 5.4. TABLES DÉTAILLÉES S. Gillet IR

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99 6. RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES SILVERSTEIN, WEBSTER, KIEMLE. IDENTIFICATION SPECTROMÉTRIQUE DE COMPOSÉS ORGANIQUES 2 ÈME ÉDITION. DE BOECK UNIVERSITÉ P. CHIMIE THÉORIQUE ET PHYSIQUE. PROF. M. MARLIER. COURS DE 1 ÈRE INGÉNIEUR CHIMIE ET BIOINDUSTRIES. FUSAGX. CHIMIE THÉORIQUE ET PHYSIQUE APPLIQUÉE À L ANALYSE STRUCTURALE DE BIOMOLÉCULES. PROF. B. WATHELET. COURS DE 3 ÈME BACHELIER CHIMIE ET BIOINDUSTRIES. FUSAGX. CHIM PROF. R. GIASSON. UNIVERSITÉ DE MONTTRÉAL. SKOOG, HOLLER, NIEMAN. PRINCIPES D ANALYSE INSTRUMENTALE 1 ÈRE ÉDITION. DE BOECK UNIVERSITÉ P. SPECTRAL DATABASE FOR ORGANIC COMPOUNDS, SDBS. CHIMIE THÉORIQUE ET PHYSIQUE, NOTES DE TRAVAUX PRATIQUES FUSAGX. S. Gillet IR

100 CHAPITRE 2 : LA SPÉCTROMÉTRIE DE MASSE (MS) S. Gillet MS

101 1. INTRODUCTION La spectrométrie de masse (MS) est une technique d identification et de dosage des molécules. Son concept est relativement simple, un composé est ionisé, les ions sont séparés selon leur rapport masse/charge (m/z) et le nombre d ions de chaque «unité» masse/charge (m/z) est enregistré sous la forme d un spectre. Cette technique nous permet de déterminer la masse moléculaire d un composé et nous fournit également de précieuses informations sur sa structure. Cependant, contrairement aux autres techniques présentées dans le cours de chimie théorique et physique appliquée à l analyse structurale de biomolécules, la spectrométrie de masse est une technique destructive. L échantillon est irrécupérable après analyse. Un spectre de masse (figure 33) est un graphique représentant en abscisse le rapport masse/charge (m/z) des différents ions ayant été séparés et en ordonnée leur abondance ou abondance relative (intensité des pics verticaux). On considère le pic le plus haut comme ayant 100% d intensité. Il est appelé pic de base et l intensité des autres pics est déterminée par rapport à ce dernier. Le pic de plus haute valeur masse/charge (m/z) est appelé ion moléculaire. Il représente la molécule intacte moins un électron qui a été arraché. Une partie des ions moléculaires produisent par fragmentation une série d ions fragments (ou filles) dont l analyse fournit des indications sur la structure du composé. En effet, chaque composé, selon sa classe chimique et sa structure, va se fragmenter de manière différente. Figure 33 : Spectre de masse IE de la benzamide avec schéma de fragmentation expliquant les ions importants. S. Gillet MS

102 2. INSTRUMENTATION suivantes : De manière générale, l analyse en spectrométrie de masse (MS) repose sur les étapes - Introduction de l échantillon/mise en phase (soit directe ou infusion, soit couplée) - Production d ions (injection d une charge ionisation de la substance à analyser) Source - Séparation des ions selon le rapport masse sur charge (m/z) Analyseur - Mesure de l abondance de chaque ion Détecteur Dans ce chapitre, un instrument type sera divisé en méthodes d ionisation, de séparation d ions et de détection (figure 34). Généralement, la méthode d ionisation est indépendante de la méthode de séparation et vice versa, bien qu il y ait des exceptions. Certaines méthodes reposent sur une introduction en sortie de ligne chromatographique alors que d autres excluent l usage de la chromatographie dans l introduction de l échantillon. Figure 34 : Schéma block des éléments d un spectromètre de masse type. Cependant, une caractéristique commune revient chez tous les appareils. En effet, aussi bien l analyseur que le détecteur sont sous vide ou à une pression fort faible (et parfois la source également). On évite ainsi les interférences des composants de l air. Si trop de molécules sont présentes lors de l analyse, il y a apparition de collisions, la trajectoire des ions est modifiée et ils vont se décharger sur les parois de l appareil. D autre part, la collision entre ions et molécules entraîne des réactions qui compliquent le spectre. S. Gillet MS

103 2.1. LES TECHNIQUES D IONISATION Il existe différents types de source. En fonction de la molécule à analyser ou de l objectif de l analyse, il peut être intéressant d utiliser l une ou l autre source L IONISATION PAR IMPACT ÉLECTRONIQUE L impact électronique (IE) est la technique de production d ions la plus répandue en spectrométrie de masse. Un filament de tungstène chauffé émet des électrons. Ils sont accélérés et entrent en collision avec les molécules gazeuses de l analyte situées dans la source (figure 35). Figure 35 : Source par impact électronique. Des molécules en phase vapeur de l échantillon, sont bombardées par des électrons très énergétiques (généralement 70 ev), qui éjectent un électron d une molécule de l échantillon en produisant un radical cation nommé ion moléculaire. Comme le potentiel d ionisation de composés organiques typiques 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 ayant une énergie comprise entre 3 et 10 ev. Cela mène à la formation d ions primaires qui pourront eux même se fragmenter. S. Gillet MS

104 La probabilité d ionisation est proportionnelle au nombre de molécules situées sur le trajet des électrons et à l efficacité de l ionisation. Comme mis en évidence par la figure 36, une énergie de 10 ev est suffisante pour ioniser une molécule, mais à une faible efficacité d ionisation. Une énergie de 70 ev lui sera donc préférée. Figure 36 : Efficacité de l ionisation en MS. La plupart des ions produits ont une charge correspondant à la perte d un électron. Cependant, il peut y avoir des ions multiplement chargés qui seront détectés selon leur rapport m/z. L ion moléculaire peut se fragmenter de deux grandes manières : M + e - M e - Avec M + : l ion moléculaire, radical cation à nombre impair d électrons M + EE + + R - ion impair + radical M + OE + + N - radical cation (ion impair) + molécule neutre S. Gillet MS

105 En spectrométrie de masse par impact électronique, la rupture de la liaison est habituellement totale et critique, hautement reproductible et caractéristique du composé. De plus, ce procédé de fragmentation étant prédictible, il est à la base de la puissance de la spectrométrie de masse dans l élucidation de structure. Les spectres obtenus par IE (uniquement) peuvent également constituer des bases de données. Cela permet à un composé inconnu, d être comparé à la base de données (par le calcul d un pourcentage de corrélation par rapport aux spectres de cette base), et d être identifié facilement, rapidement et efficacement (ce qui est fait couramment dans la pratique). Cela étant dit, tous les spectres de tous les composés ne sont pas repris dans des bases de données. Il est donc important d étudier les mécanismes de fragmentation, qui donneront dans tous les cas des informations structurales importantes. Cette technique comporte de nombreux avantages : - Une production facile d électrons - Une production de l ion moléculaire et des ions fragments dans des domaines d énergie proches - Le bombardement par des électrons est continu ce qui donne des spectres stables - Les mécanismes de fragmentations sont bien connus - Il existe des bases de données contenant plus de composés Elle présente cependant certains inconvénients : - Le pic de l ion moléculaire est parfois non-visible car la fragmentation est totale - Il y a des risques de décomposition thermique de l échantillon, car les températures utilisées pour vaporiser l échantillon sont de l ordre de 250 C - La technique ne convient donc pas aux composées non volatils - Des réactions entre les ions et les molécules pourraient générer des pics à m/z supérieur à celui de l ion moléculaire. - La technique n est pas idéale pour les composés de haut poids moléculaire S. Gillet MS

106 L IONISATION CHIMIQUE L ionisation par impact électronique provoque souvent une telle fragmentation qu il est impossible d observer le pic moléculaire. Un moyen de contourner le problème est de recourir à une technique d ionisation plus douce, parmi lesquelles l ionisation chimique (IC) est la plus importante. En IC, les molécules de l échantillon (en phase vapeur) ne sont pas bombardées par un faisceau d électrons énergiques. Un gaz réactif (habituellement le méthane, l isobutane, l ammoniac ou autres) est introduit dans la source et ionisé par bombardement électronique pour donner des ions primaires. Les molécules de l échantillon entrent en collision avec les molécules ionisée du gaz réactif (CH + 5, C 4 H + 9, etc.) dans la source IC où la pression est relativement élevée pour conduire à une ionisation secondaire par transfert de proton en produisant un ion [M + 1] +, par addition électrophile en produisant des ions [M + 15] +, [M + 24] +, [M + 43] + ou [M + 18] + (avec NH + 4 ) ou (plus rarement) par transfert de la charge en produisant un ion [M] +. EI : CH 4 + e - CH e - Fragmentation : CH 4 + CH H CH 4 + CH H 2 Collisions: CH CH 4 CH CH 3 CH CH 4 C 2 H H 2 CH CH 4 C 2 H H 2 + H C 2 H CH 4 C 3 H H 2 Ionisation de l échantillon: CH M MH + + CH 4 MH + = ion quasi ou pseudo moléculaire S. Gillet MS

107 L excès d énergie transféré à l échantillon durant la phase d ionisation est suffisamment faible, généralement inférieur à 5eV, pour réduire la fragmentation. Cela à plusieurs conséquences importantes, les plus riches étant l abondance d ions 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, seul un ou deux fragments sont produits et même parfois aucun. 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. * * * Dans les deux premières techniques qui viennent d être présentées (impact électronique et ionisation chimique), l échantillon est sous forme gazeuse. Ces techniques ne permettent donc pas, du moins telles quelles, d analyser de composés thermosensibles ou nonvolatils. Pour y remédier, d autres techniques d ionisation ont été développées. Elles vont être détaillées dans la suite de cette section L IONISATION PAR BOMBARDEMENT D ATOMES RAPIDES (FAB) Dans les techniques d ionisation par désorption, les molécules à étudier passent directement d une phase condensée à la phase vapeur sous forme d ions. Elles sont principalement utilisées dans le cas de composés lourds, non-volatils ou ioniques. Elles peuvent présenter des inconvénients importants Les techniques de désorption n utilisent généralement pas les échantillons de manière très efficace. 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 rester prudent car l ion moléculaire ou quasi-moléculaire n est parfois pas très évident. Il en résulte souvent des spectres compliqués par de nombreux ions provenant de la matrice. S. Gillet MS

108 Le bombardement par atomes rapides (figure 37) met en jeu des atomes de xénon ou d argon très énergiques (6 à 10 kev) pour bombarder des échantillons dissous dans un liquide de faible tension de surface (ex : glycérol). La matrice protège l échantillon des dommages excessifs dus aux radiations. On obtient des ions quasi-moléculaires (MH +, MNa +, ). Figure 37 : Source par bombardement d atomes rapides L IONISATION PAR DÉSORPTION LASER D UNE MATRICE (MALDI) L ionisation par désorption laser assistée par matrice est une nouvelle méthode d ionisation qui permet d obtenir des informations précises concernant les masses moléculaires de biopolymères polaires. Ces masses peuvent varier de plusieurs centaines à plusieurs milliers de Da. On envoie le laser sur une goutte séchée de la solution, l analyse se fait donc sur un échantillon solide. La substance à analyser est mélangée à une solution de petites molécules organiques appelée matrice. Ces petites molécules possèdent une forte absorption à la longueur d onde utilisée du laser. De ce fait, les molécules de la matrice vont subir une excitation, et la matrice va donc ioniser l échantillon (figure 38). S. Gillet MS

109 Figure 38 : Source MALDI. En utilisant une matrice, il n est plus nécessaire d adapter la longueur d onde du laser à la substance à analyser. C est une méthode très sensible L IONISATION PAR ÉLECTROSPRAY En électrospray (ES), les ions sont générés à pression atmosphérique (ou proche) ; la technique s appelle donc également ionisation à pression atmosphérique (API). L échantillon en solution (habituellement dans un solvant polaire) 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 polychargées se forme lorsque 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 et 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 coulombienne», qui libère les ions dans la phase vapeur (figure 39). On obtient ainsi des ions en phase gazeuse qui ont une très faible énergie interne. Les ions désolvatés sont focalisés par plusieurs échantillonneurs vers l analyseur de masse. S. Gillet MS

110 Figure 39 : Source électrospray LES TECHNIQUES DE SÉPARATION Il existe différents types d analyseurs. Les principaux vont être décrits dans la suite de ce chapitre. L analyseur va séparer le mélange d ions générés à l étape d ionisation par ordre de rapport masse/charge (m/z) afin d obtenir un spectre. C est le cœur du spectromètre. La qualité d un analyseur peut être évaluée selon différents critères : - La limite de masse : est la valeur limite de m/z mesurable - La transmission : est le rapport entre le nombre d ions arrivant au détecteur et celui dans la source - La résolution : est la capacité de fournir des signaux distinguables entre les ions de masses voisines (R = m/δm). On admet que deux pics sont résolus lorsque l intensité de la «vallée» entre ceux-ci vaut 10% de l intensité du pic le plus faible (figure 40). Figure 40 : La résolution en spectrométrie de masse. S. Gillet MS

111 LES ANALYSEURS MAGNÉTIQUES ET MAGNÉTO-ÉLECTROSTATIQUES Dans un spectromètre de masse à secteur magnétique, un champ magnétique dévie circulairement la trajectoire des ions (figure 41). La séparation des ions est basée 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 = zv = mv 2 /2 (1). 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 maintenant sur une trajectoire circulaire de rayon r, donné par Bzv = mv 2 /r. De la, on peut tirer que mv = zbr (2). 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 focaliseront en des points différents. De (2), on tire v et on introduit sa valeur dans (1) : m/z = B 2 r 2 /2V. Puisque le rayon de l instrument est fixe, le champ magnétique est balayé pour focaliser successivement les différents ions. Figure 41 : Analyseur magnétique Un analyseur électrostatique (ESA) peut considérablement réduire la distribution d énergie d un faisceau d ion 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 n entre dans le détecteur. La combinaison d un ESA et d un secteur magnétique est appelée double focalisation (figure 42), car les deux champs contrecarrent les effets dispersifs que chacun a sur la direction et la vitesse. S. Gillet MS

112 Figure 42 : Analyseur double focalisation La résolution d un appareil à secteur magnétique à double focalisation (figure) peut être extrêmement élevée. Cela permet la mesure de «masses exactes», offrant un accès univoque à la formule moléculaire LES ANALYSEURS QUADRIPOLAIRES Un quadripôle se compose de quatre barreaux cylindriques parallèles entre eux, placés aux sommets d un carré (figure 43). Une analyse mathématique complète du quadripôle est complexe mais son fonctionnement peut-être décrit en termes simples. Une tension continue, constante, modulée en radiofréquence est 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, 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 coté mais seuls les ions d un m/z donné sortent de l autre. S. Gillet MS

113 Figure 43 : Analyseur quadripolaire. Du point de vue de la résolution, le quadripôle est généralement inférieur au secteur magnétique. Par contre, la sensibilité est généralement très élevée puisqu il n est pas nécessaire d employer une fente qui éliminerait une fraction des ions. Il existe des appareils possédant plusieurs quadripôles en série. Le premier va servir à piéger un ion donné. Cet ion sera ensuite refragmenté par collision avec un gaz inerte ou réactionnel. Les ions ainsi formés seront analysés dans un second quadripôle LES ANALYSEURS À TRAPPE IONIQUE La trappe ionique est parfois considérée comme une variante du quadripôle car leurs aspects et leurs fonctionnements sont liés. Toutefois, la trappe ionique est potentiellement bien plus polyvalente et est certainement promise à un développement important, car les spectres IE obtenus avec une trappe ionique sont maintenant compatibles avec les bases de données commerciales. La trappe ionique a la capacité de piéger les ions pour une période relativement longue. Elle se comporte généralement de trois électrodes, l une annulaire de face interne hyperbolique et les deux autres (électrodes d entrée et de sortie), hyperboliques aux extrémités (figure 44). L électrode annulaire est soumise à un champ de radiofréquence sinusoïdal alors que les électrodes d entrée et de sortie sont placées à l un des trois états suivants : potentiel nul, tension continue ou alternative. S. Gillet MS

114 Figure 44 : Analyseur trappe ionique. La trappe ionique peut fonctionner selon trois modes de base : - Premièrement, tension RF fixe et pas de polarisation entre les électrodes 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 qu 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 masses supérieures à cette limite sont éliminés quand le potentiel est ramené à zéro. - Deuxièmement, tension continue entre les électrodes 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 important de ce mode est le suivi sélectif d ion. Il n y a pas de limites pratiques 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. S. Gillet MS

115 LES ANALYSEURS À TEMPS DE VOL Le concept de spectromètre de masse à temps de vol (TOF) est assez simple (figure 45). Les ions sont accélérés par un potentiel (V), on les laisse ensuite «dériver» le long d un tube jusqu au détecteur. En supposant que tous les ions se présentant à l entrée du tube ont la même énergie, donnée par zev = mv 2 /2, alors des ions de masse 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 = (L 2 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). La résolution des instruments TOF est généralement inférieure à du fait de l inévitable distribution de l énergie de l ion. En outre, la gamme de masse de ces instruments est illimitée et ils ont une excellente sensibilité. Cette technique est donc particulièrement adaptée aux grosses biomolécules. Figure 45 : Analyseur TOF. S. Gillet MS

116 LES SPECTROMÈTRES DE MASSE À TRANSFORMÉE DE FOURIER Dans un spectromètre de masse à transformée de Fourier, les ions sont confinés dans une cellule par un potentiel électrique piège, sous un intense champ magnétique. A l intérieur de la cellule, chaque ion orbite sur une trajectoire perpendiculaire au champ magnétique, à une fréquence proportionnelle à m/z. Une impulsion radiofréquence appliquée à la cellule, place simultanément toutes les fréquences cyclotroniques en résonance pour donner un interférogramme, conceptuellement similaire à la FID d un signal RMN. L interférogramme qui est un spectre en temps est converti par transformée de Fourier en spectre en fréquence, qui aboutit enfin au spectre m/z conventionnel LES DÉTECTEURS Le rôle du détecteur est de transformer un courant ionique faible en un courant mesurable. Il existe différents types de détecteurs les plus courant seront décrit dans la suite de ce chapitre LES PLAQUES PHOTOGRAPHIQUES Les plaques photographiques au bromure d argent sont sensibles aux ions énergétiques. Les ions accélérés par une différence de potentiel de quelques kilovolts possèdent une énergie suffisante pour impressionner une émulsion photographique déposée en couche mince sur une plaque de verre. Le point d impact de l ion est fonction du rapport m/z. Le noircissement relatif de la plaque est fonction de la quantité d ions la frappant. Un étalonnage préalable est nécessaire LES CYLINDRES DE FARADAY Le cylindre de Faraday est une boîte cylindrique dans laquelle les ions entrent et heurtent le fond (figure 46). Ils communiquent de cette manière leur charge. Le fond est relié à la terre par une résistance de grande valeur ce qui génère une différence de potentiel aux bornes de cette résistance. Le courant généré est amplifié et mesuré. Il n y a pas d émission d électrons secondaires. S. Gillet MS

117 Figure 46 : Détecteur cylindre de Faraday LES MULTIPLICATEURS D ÉLECTRONS Un multiplicateur d électron se présente comme un dispositif en forme de trompe façonné en un verre fortement dopé en plomb (figure 47). Contrairement au cylindre de Faraday, on s arrange ici pour avoir beaucoup d émission secondaire d électrons. Cela va avoir pour effet d amplifier le signal. Une tension de courant est appliquée entre les deux extrémités. Le champ créé va accélérer les électrons vers l intérieur du tube. Chaque ion frappant la surface près de l entrée éjecte des électrons qui, rebondissant le long de la surface éjectent de plus en plus d électrons à chaque impact. Le gain de conversion (nombre d électrons en sortie pour un ion à l entrée) de ce type de transducteur est d environ 10 5, mais dans certains cas, on peut atteindre des gains de Figure 47 : Détecteur multiplicateur d'électron S. Gillet MS

118 LES MULTIPLICATEUR DE PHOTONS Le système est constitué de deux dynodes, d un écran phosphorescent et d un photomultiplicateur (figure 48). Ce dispositif permet la détection d ions positifs et négatifs. Des électrons secondaires sont émis par les dynodes, lorsqu elles sont frappées par des ions. Ces électrons sont accélérés vers l écran phosphorescent où ils sont convertis en photons. L écran phosphorescent est conducteur. De cette manière, il ne se charge pas de plus en plus négativement avec l arrivée d électrons supplémentaires. Les photons ainsi produits sont ensuite détectés et quantifiés par le photomultiplicateur. Figure 48 : Détecteur multiplicateur de photons LES DÉTECTEURS À MICROCANAUX Un détecteur à microcanaux se présente comme une plaque percée de canaux cylindriques parallèles (figure 49). Chaque canal est recouvert d un matériau semi-conducteur émettant des électrons secondaires à chaque impact d ion. La géométrie de la plaque est analogue à celle d une plaque photographique. Les ions de m/z différents arrivent en différents endroits du détecteur et peuvent être compté simultanément pendant le balayage du champ magnétique de l analyseur. Cette technique offre un gain de conversion de 10 5 à S. Gillet MS

119 Figure 49 : Détecteur multicanaux 3. INTERPRÉTATION DES SPECTRES DE MASSE 3.1. GÉNÉRALITÉS Notre discussion sur les spectres de masse se limitera aux spectres IE. Dans les spectres de masse IE, la fragmentation est riche en informations structurales. Les spectres de masse (par impact électronique) s obtiennent en routine avec un faisceau d électrons de 70 ev. L événement le plus simple est l arrachement, par un des électrons de ce faisceau, d un électron d une molécule en phase gazeuse pour former l ion moléculaire qui est un radical cation (M + ). NB : Quand la charge peut être localisée sur un atome particulier, elle est indiquée sur cet atome. Plusieurs de ces ions moléculaires se désintègrent dans les à 10-3 secondes pour donner, dans le plus simple des cas, un fragment chargé positivement et un radical. On forme ainsi de nombreux ions fragments et chacun d eux peut se scinder à nouveau pour donner des fragments plus petits. Si certains des ions moléculaires parents restent intacts assez longtemps pour atteindre le détecteur, on observe un pic correspondant à l ion moléculaire. Il est important de reconnaître le pic moléculaire car il donne le poids moléculaire du composé. Avec une résolution unitaire, ce poids est le poids moléculaire arrondi au nombre entier le plus proche. Un spectre de masse est une représentation des concentrations relatives des fragments chargés positivement (incluant l ion moléculaire) en fonction de leur masse. On attribue une valeur de 100% au pic le plus intense du spectre, le pic de base, et les intensités des autres pics S. Gillet MS

120 (hauteurs x facteur de sensibilité), incluant celui de l ion moléculaire, sont rapportées en pourcentage du pic de base. Bien entendu quelque fois, le pic de base peut être celui de l ion moléculaire IDENTIFICATION DU PIC DE L ION MOLÉCULAIRE Bien souvent en impact électronique (EI), l identification du pic de l ion moléculaire pose problème. Ce pic peut être très faible ou même ne pas apparaître du tout. Pour remédier à ce problème, la meilleure solution est d obtenir le spectre par une autre technique d ionisation telle que l ionisation chimique. Dans ce cas, le résultat habituel est un pic intense à [M+1] avec peu de fragmentation. L identification de l ion moléculaire est la première étape d une analyse spectrale. Elle permettra la détermination de la masse moléculaire du composé. Une fois la masse connue, il est possible d utiliser des tables indiquant toutes les formules brutes possibles pour cette masse moléculaire donnée. L identification du pic de l ion moléculaire dépend de la stabilité de l ion moléculaire. Les ions moléculaires les plus stables sont ceux des systèmes purement aromatiques. Si des groupements labiles sont présents, le pic de l ion moléculaire sera moins intense et les pics des fragments, relativement plus intenses. De manière générale, on observe que : 1- Les groupes de composés suivants donneront en ordre décroissant des pics moléculaires dominants : composés aromatiques > alcènes conjugués > composés cycliques > sulfures organiques > alcanes normaux à chaîne courte > mercaptans. 2- Les ions moléculaires reconnaissables sont produits habituellement par les composés suivant par ordre décroissant de stabilité : cétones > amines > esters > éthers > acides carboxyliques aldéhydes amides halogénures. 3- L ion moléculaire est souvent indétectable pour les alcools aliphatiques, les nitrites, les nitrates, les composés nitros, les nitriles et les composés très ramifiés. S. Gillet MS

121 3.3. RÈGLE DE L AZOTE La «règle de l azote» rend souvent service. Elle stipule qu une molécule dont la masse moléculaire est paire doit contenir un nombre nul ou pair d atomes d azote ; une masse moléculaire impaire indique un nombre impair d atomes d azote. Cette règle s applique à tous les composés contenant du carbone, de l hydrogène, de l oxygène, de l azote, du soufre et des halogènes, ainsi que des atomes moins courants comme le phosphore, le bore, le silicium, l arsenic et les alcalino-terreux. Partant de cette considération, il est possible d éliminer certaines des possibilités de formules moléculaires brutes fournies par les tables DÉTERMINATION DE LA FORMULE MOLÉCULAIRE À PARTIR DES INTENSITÉS DES PICS ISOTOPIQUES [M + 1] ET [M + 2] La masse d une molécule est obtenue en additionnant les masses des isotopes les plus abondants pour chaque atome. La présence d isotopes pour certains éléments génère l apparition de pics isotopiques. En général, ces pics ont une intensité inférieure à celle de l ion moléculaire sauf dans le cas ou des atomes tels que le chlore ou le brome sont présent dans la molécule (cas particulier). Les espèces moléculaires contenant des isotopes moins abondants donnent donc des «pics isotopiques» à [M + 1], [M + 2], etc. Si seuls C, H, N, O, F, P et I composent une molécule, les intensités relatives approchées attendues pour [M + 1] et [M + 2] peuvent être calculées en utilisant les équations suivantes : - % [M + 1] = 100 [M + 1] / M 1,1 x nombre d atomes de carbone + 0,36 x nombre d atomes d azote - % [M + 2] = 100 [M + 2] / M (1,1 x nombre d atomes de carbone) 2 / ,2 x nombre d atomes d oxygène S. Gillet MS

122 Si ces pics isotopiques sont suffisamment intenses pour être mesurés avec précision, le calcul ci-dessus peut permettre de déterminer la formule moléculaire. Toutefois, cette méthode comporte certaines limites car les intensités observées sont souvent imprécises. De plus, pour une masse moléculaire supérieure à 250, la méthode est inadaptée. Une formule moléculaire unique peut souvent être déduite d une simple mesure de masse suffisamment précise (4 décimales). Cela est possible parce que les masses atomiques ne sont pas des nombres entiers. Cette approche est cependant fastidieuse et l utilisation de logiciels spécifiques peut faciliter les choses : CALCUL DU NOMBRE D INSATURATIONS En plus du nombre et du type d atomes, la formule moléculaire donne un indice de déficience en hydrogène. Cet indice est le nombre de paires d atomes d hydrogène qui doivent être retirées d une formule «saturée» (c'est-à-dire C n H 2n+2 pour les alcanes) pour donner la formule moléculaire du composé que l on considère. Cet indice de déficience en hydrogène est également appelé le nombre de «sites d insaturation». Cette description est incomplète puisque la déficience en hydrogène peut être due à des structures cycliques aussi bien qu à des liaisons multiples. L indice est donc la somme du nombre de cycles, du nombre de liaisons doubles et de deux fois le nombre de liaisons triples. Cet indice peut être calculé pour des composés contenant carbone, hydrogène, azote, halogène, oxygène et soufre de formule générale : C n H m X x N y O z à partir de l équation : Indice = (n) (m / 2) (x / 2) + (y / 2) + 1 Un cycle aromatique comportera par exemple quatre «sites insaturés» : trois pour les doubles liaisons et un pour le cycle. S. Gillet MS

123 La formule brute donne donc rapidement des informations sur la structure. De plus, par simple observation du nombre d oxygènes ou d azotes, par exemple, il est également possible de restreindre le choix des classes de molécules organiques possibles pour le cas envisagé, et faciliter de cette manière l analyse spectrale. Ainsi, une molécule ne comportant qu un seul oxygène et aucune insaturation sera forcément soit un alcool soit un éther LES RÈGLES DE FRAGMENTATION La fragmentation est initiée par l impact électronique. Seule une faible partie de la force motrice de fragmentation est de l énergie transférée lors de l impact. La majeure partie de cette force est le radical-cation qui est imposé à la structure. La fragmentation d un ion moléculaire à nombre impair d électrons (radical-cation M + ) peut se faire par clivage homo- ou hétérolytique d une liaison simple. Dans le clivage homolytique (I), chaque électron se déplace indépendamment comme indiqué par les demiflèches : les fragments sont un cation à nombre pair d électrons et un radical libre (un électron non-apparié). Par souci de clarté, seule une flèche de chaque paire est représentée (II). Dans un clivage hétérolytique (III), une paire d électrons «migre» vers le site chargé comme indiqué par la flèche courbe conventionnelle ; les fragments sont à nouveau un cation à nombre pair d électron et un radical, mais ici la charge finale est localisée sur le produit alkyle. En absence de cycle (dont la fragmentation requiert le clivage de deux liaisons au plus), la plupart des fragments majeurs dans un spectre de masse sont des cations à nombre pair d électrons formé par un unique clivage. Une fragmentation supplémentaire de ce genre de cation (IV) donne en général un autre cation à nombre pair d électrons et un fragment, ou une molécule, à nombre pair d électrons. S. Gillet MS

124 Des clivages consécutifs ou simultanés de plusieurs liaisons peuvent se produire quand un avantage énergétique dérive de la formation d un cation fortement stabilisé et/ou d un radical stable, ou d une molécule neutre, souvent par l intermédiaire d une voie de faible énergie bien définie. La probabilité de rupture d une liaison particulière est reliée à la force de cette liaison, à la possibilité de transitions de faibles énergies et à la stabilité des fragments chargés et non chargés formés dans le processus de fragmentation. Notre connaissance des clivages pyrolytiques peut être utilisée, jusqu à un certain point, pour prédire les modes probables de clivage de l ion moléculaire. Etant donné la pression extrêmement basse dans un spectromètre de masse, il y a très peu de collisions entre fragments ; nous avons surtout affaire à des décompositions unimoléculaires. Cette supposition qui s appuie sur un grand nombre de spectres de références, est à la base de l énorme quantité d informations disponibles à partir des motifs de fragmentation d une molécule. Certaines règles générales permettant de prédire les pics majeurs dans les spectres EI, peuvent être écrites et rationalisées en utilisant les concepts standards de la chimie organique physique. Ces règles sont énoncées ci-dessous : 1- La hauteur relative du pic de l ion moléculaire est plus élevée pour un composé à chaîne linéaire et décroît à mesure que le degré de ramification augmente (voir règle 3). 2- La hauteur relative du pic de l ion moléculaire, en général, décroît quand le poids moléculaire augmente dans une série homologue. Les esters gras semblent être une exception. 3- Le clivage est favorisé au niveau des atomes de carbone substitués d alkyles. Plus ils sont substitués, plus le clivage est probable. Ceci est une conséquence de la stabilité croissante d un carbocation tertiaire par rapport à un secondaire, lui-même plus stable qu un primaire. Ordre de stabilité des cations : CH + 3 < R 2 CH + 2 < R 3 CH + < R 3 C +. Généralement, le plus gros substituant d un embranchement est éliminé très S. Gillet MS

125 facilement comme radical, probablement parce qu un radical à longue chaîne peut être stabilisé par délocalisation de l électron célibataire. 4- Les liaisons doubles, les structures cycliques et particulièrement les cycles aromatiques (ou hétéroaromatiques) stabilisent l ion moléculaire et augmentent ainsi la probabilité de son apparition. 5- Les doubles liaisons favorisent le clivage allylique et donnent le carbocation allylique stabilisé par résonance. Cette règle n est pas valable pour les alcènes simples à cause de la migration de la liaison double mais elle l est pour les cyclo-alcènes. 6- Les cycles saturés tendent à perdre les chaînes alkyles latérales au niveau de la liaison α. Il s agit simplement d un cas particulier de ramification (règle 3). La charge positive tend à rester sur le fragment cyclique. Les cycles insaturés peuvent subir une réaction de rétro-diels-alder. 7- Dans les composés aromatiques substitués par des alkyles, le clivage est le plus probable au niveau de la liaison en β par rapport au cycle, donnant un ion benzyle stabilisé par résonance ou plus probablement l ion tropylium. 8- Les liaisons C-C proches d un hétéroatome sont fréquemment clivées (scission α), laissant la charge sur le fragment contenant l hétéroatome dont les électrons non liants permettent une stabilisation par résonance (schéma). S. Gillet MS

126 9- Le clivage est souvent associé à l élimination de petites molécules neutres stables, telles que le monoxyde de carbone, les oléfines, l eau, l ammoniac, le sulfure d hydrogène, le cyanure d hydrogène, des mercaptans, des cétènes ou des alcools, souvent avec réarrangement LES RÉARRANGEMENTS Les ions ayant subi un réarrangement sont des fragments dont l origine ne peut être décrite par simple clivage des liaisons dans l ion moléculaire, mais sont le résultat d un réarrangement atomique intramoléculaire pendant la fragmentation. Les réarrangements impliquant la migration d atomes d hydrogène dans les molécules qui contiennent un hétéroatome sont très courants. Un exemple important est le réarrangement de McLafferty. Pour subir un réarrangement de McLafferty, une molécule doit posséder un hétéroatome (ex : O) placé de façon appropriée, un système π (en général une double liaison) et un atome d hydrogène labile en γ par rapport au motif C=O. De tels réarrangements rendent souvent comptes de pics caractéristiques important et sont donc très utiles. Ils peuvent être fréquemment rationalisés sur base des transitions de basse énergie et accroissent la stabilité des produits. Les réarrangements résultant de l élimination d une molécule neutre stable sont courants (par exemple l alcène produit dans le réarrangement de McLafferty). Les pics de réarrangement peuvent être reconnus en considérant le nombre de masse m/z des fragments ioniques et des ions moléculaires correspondants. Un clivage simple (aucun réarrangement) d un ion moléculaire de masse paire donne un fragment ionique de masse impaire et le clivage simple d un ion moléculaire impair donne un fragment pair. L observation de la masse d un fragment ionique différant d une unité par rapport à la masse attendue pour un fragment résultant d un simple clivage (ex : un fragment de masse paire provenant d un ion moléculaire de masse paire) indique qu un réarrangement d hydrogène accompagne la fragmentation. S. Gillet MS

127 4. LES SPECTRES DE MASSE DE QUELQUES CLASSES CHIMIQUES 4.1. LES HYDROCARBURES SATURÉS Les alcanes linéaires : Le pic de l ion moléculaire d un hydrocarbure saturé à chaîne linéaire est toujours présent, bien que de faible intensité pour les composés à longue chaîne. Le mode de fragmentation est caractérisé par des amas de pics et les pics correspondant à chaque amas sont distants entre eux de 14 unités de masse (CH 2 ). Le pic le plus intense de chaque amas représente un fragment C n H 2n+1 et apparaît à m/z = [14n + 1] ; il est accompagné par des fragments C n H 2n et C n H 2n-1. Les fragments les plus abondants sont en C 3 et C 4 et les abondances des fragments décroissent progressivement jusqu à [M - C 2 H 5 ]. Typiquement, le pic [M - CH 3 ] est faible voir inexistant. Les composés contenant plus de huit atomes de carbone présentent des spectres assez similaires (figure 50). Leur identification dépend donc du pic de l ion moléculaire. Figure 50 : Spectre de masse du n-hexadécane : on remarque la décroissance régulière de 14 unités de masse (CH 2 ). Les alcanes ramifiés : Les spectres d hydrocarbures saturés ramifiés sont essentiellement similaires à ceux des composés à chaîne linéaire, mais l abondance des fragments ne diminue pas régulièrement, les fragmentations se font préférentiellement aux points de ramification (figure 51). S. Gillet MS

128 Figure 51 : Spectre de masse du 5-méthylpendadécane. La discontinuité en C 12 (168) indique que la branche la plus longue du 5- méthylpentadécane possède 10 atomes de carbone. Les pics à m/z 85 et 169 représentent le clivage de part et d autre de la ramification avec une rétention de charge sur le carbone substitué. En soustrayant du poids moléculaire la somme de ces fragments, on rend compte du fragment CH-CH 3. De nouveau, nous remarquons l absence de fragment en C 11 qui ne peut se former par un clivage unique. Enfin, la présence d un pic [M - 15] distinct indique également une ramification méthyle. Le fragment résultant du clivage à un point de ramification tend à perdre un seul atome d hydrogène, et donc le pic résultant C n H 2n est prédominant et quelque fois plus intense que le pic C n H 2n+1 correspondant. Les alcanes cycliques : Un cycle saturé dans un hydrocarbure accroît l intensité relative du pic de l ion moléculaire et favorise le clivage au niveau de la liaison entre le cycle et le reste de la molécule (figure 52). La fragmentation du cycle est caractérisée en général par la perte de deux atomes de carbone sous forme de C 2 H 4 (28) et de C 2 H 5 (29). Cette tendance à perdre des fragments pairs tels que C 2 H 4, donne un spectre qui contient des ions de masse paire en plus grand nombre qu un spectre d hydrocarbure acyclique. Comme dans les hydrocarbures ramifiés, le clivage C-C s accompagne de la perte d un atome d hydrogène. Les pics caractéristiques appartiennent donc aux séries C n H 2n-1 et C n H 2n-2. S. Gillet MS

129 Figure 52 : Spectre de masse du cyclohexane. Le spectre de masse du cyclohexane montre un ion moléculaire bien plus intense que ceux des composés acycliques, puisque la fragmentation requiert le clivage de deux liaisons carbone-carbone. Ce spectre a son pic de base à m/z 56 (dû à la perte de C 2 H 4 : m/z 28) et un grand pic à m/z 41, qui est un fragment de la série C n H 2n-1 avec n = 3. On note également la présence d un pic à m/z 55 dû à la perte d un C 2 H 5 (29) LES ALCÈNES Le pic de l ion moléculaire des alcènes, surtout des poly-alcènes, est en général visible (figure 53). La localisation de la double liaison dans les alcènes acycliques est rendue difficile par sa migration aisée dans les fragments. Dans les alcènes cycliques (surtout polycycliques), la localisation de la double liaison est souvent évidente du fait de la forte tendance au clivage allylique avec peu de migration de la double liaison. La position de la double liaison peut également être fixée par conjugaison avec un carbonyle. Comme avec les hydrocarbures saturés, les alcènes acycliques sont caractérisés par des amas de pics à intervalles de 14 unités. Dans ces amas, les pics C n H 2n-1 et C n H 2n sont plus intenses que les pics C n H 2n+1. Le pic important à m/z 41 que l on retrouve sur les spectres d alcène est dû au groupement + CH 2 -CH=CH 2. S. Gillet MS

130 Figure 53 : spectre de masse du β-myrcène. Dans le spectre du β-myrcène, les pics à m/z 41, 55, et 69 correspondent à la formule C n H 2n-1 avec n = 3, 4 et 5, respectivement. La formation du pic à m/z 41 doit impliquer une isomérisation. Les pics à m/z 67 et 69 sont les fragments provenant de la rupture d une liaison bi-allylique. Le pic à m/z 93 est une structure C 7 H 9 + formée par isomérisation (provoquant une conjugaison accrue), suivi d un clivage allylique. L ion à m/z 93 possède au moins deux formes de résonance importantes contribuant à sa stabilité. Les alcènes cycliques montrent, en général, un pic d ion moléculaire marqué. La réaction de clivage rétro-diels-alder est caractéristique. S. Gillet MS

131 Dans cet exemple, la réaction conduit à deux molécules d isoprène. Puisque cette réaction est un exemple de réarrangement, l un des fragments est une molécule neutre LES HYDROCARBURES AROMATIQUES Un cycle aromatique dans une molécule stabilise l ion moléculaire, dont le pic est, en général, suffisamment important pour que des mesures d intensité précises puissent être faites sur les pics [M + 1] et [M + 2]. Un pic prédominant (souvent le pic de base) à m/z 91 (C 6 H 5 CH + 2 ) indique un benzène substitué par un alkyle. La ramification sur le carbone en α conduit à des masses supérieures à 91 par incrément de 14, le plus gros substituant étant éliminé en premier. Cependant la simple présence d un pic de masse 91 ne veut pas dire qu il y a ramification sur le carbone en α car ce fragment hautement stabilisé peut provenir de réarrangements. Un pic [M - 1] marqué, et parfois prédominant, résulte d un clivage benzylique similaire de la liaison C-H. On a proposé que, dans la plupart des cas, l ion de masse 91 soit un cation tropylium plutôt qu un cation benzylique. Cela explique la facilité avec laquelle les xylènes perdent un méthyle alors que cela est difficile dans le cas du toluène. L ion moléculaire à peine créé se réarrange en ion radical méthylcycloheptatriène parent, qui se clive à son tour pour donner l ion tropylium (C 7 H + 7 ). Le pic souvent observé à m/z 65 résulte de l élimination d une molécule d acétylène neutre à partir de l ion tropylium. S. Gillet MS

132 La migration d hydrogène avec élimination d une molécule d alcène neutre rend compte du pic à m/z 92 que l on observe quand le groupe alkyle contient plus de deux carbones. Un amas caractéristique d ions dû à un clivage en α et à la migration d hydrogène dans les mono-alkylbenzènes apparaît à m/z 77 (C 6 H + 5 ), 78 (C 6 H + 6 ) et 79 (C 6 H + 7 ). Les polyphényles alkylés et les hydrocarbures aromatiques polycycliques alkylés montrent le même clivage en β que les composés alkyl benzène LES COMPOSÉS HALOGÉNÉS Lorsque des composés halogénés sont présents dans la molécule, il n est plus possible de déterminer la formule moléculaire à partir des intensités des pics isotopiques [M + 1] et [M + 2] (section 3.4.). Par contre, l amas isotopique généré par la présence d halogènes fournit de précieuses informations quant à la nature de ces composés (figures 54 et 55). Ainsi, un composé qui contient un atome de chlore aura un pic [M + 2] dont l intensité vaudra approximativement un tiers de celle du pic de l ion moléculaire. En général, le nombre d atomes de chlore et/ou de brome peut-être déduit du nombre de pics au-delà du pic moléculaire. Figure 54 : Intensité relative des pics isotopiques pour des combinaisons de chlore et de brome. S. Gillet MS

133 Malheureusement, l application des contributions isotopiques, bien qu utiles en général pour les composés halogénés aromatiques, est limitée par la faiblesse du pic moléculaire de nombreux composés halogénés aliphatiques dont la chaîne linéaire a plus de six carbones ou moins encore pour une chaîne ramifiée. Ni le fluor, ni l iode ne possèdent d isotope plus lourd. Figure 55 : Morphologies des pics isotopiques dans le cas de molécules contenant du brome et du chlore. Les aliphatiques chlorés : Le pic de l ion moléculaire est détectable uniquement dans les monochlorés de bas poids moléculaire. L atome de chlore intervient dans la fragmentation de l ion moléculaire mais à un degré moindre que dans les composés oxygénés, azotés ou soufrés. Ainsi, le clivage d une chaîne linéaire monochlorée au niveau de la liaison C-C adjacente à l atome de chlore rend compte d un petit pic à m/z 49, CH 2 =Cl + (et bien sûr, du pic isotopique à m/z 51). La rupture de la liaison C-Cl conduit à un petit pic Cl + et à un pic R + proéminent pour les premiers chlorures mais assez petit quand la chaîne est supérieure à C 5. Il y a également perte d HCl, probablement par une élimination, pour donner un pic faible à moyen à [M 36]. S. Gillet MS

134 Les aliphatiques bromés : Les remarques faites au sujet des aliphatiques chlorés s appliquent dans l ensemble aux composés bromés correspondant. Les aliphatiques iodés : Les aliphatiques iodés donnent le pic moléculaire le plus intense parmi les aliphatiques halogénés. Puisque l iode et mono-isotopique, il n y a pas de pic isotopique distinct. On peut remarquer sur les spectres un pic à 127 correspondant à I ainsi qu un pic important à [M 127]. Les aliphatiques fluorés : Les aliphatiques fluorés donnent le pic moléculaire le moins intense parmi les aliphatiques halogénés. La rupture de la liaison C-C α,β est moins importante que dans les autres mono-halogénés, mais la rupture de la liaison C-H sur le carbone en α est plus importante. Sur le spectre, on note la présence d un pic important à [M HF]. 4.5 LES ALCOOLS Les alcools aliphatiques : Le pic de l ion moléculaire d un alcool primaire ou secondaire est très faible et souvent indétectable pour un alcool tertiaire. Le recours à d autres techniques d ionisation est donc parfois nécessaire. En général, il y a clivage du lien C-C voisin de l atome d oxygène. Ainsi, les alcools primaires montrent un pic prédominant dû à + CH 2 -OH (m/z 31). Les alcools secondaires et tertiaires se clivent de manière analogue pour donner un pic principal dû respectivement à + CHR-OH (m/z 45, 59, 73, etc.) et CRR -OH (m/z 59, 73, 87, etc.). Le substituant le plus gros est expulsé le plus rapidement. Occasionnellement, la liaison C-H en α de l atome d oxygène est rompue ; ce chemin, moins favorable donne naissance à un pic à [M 1]. Les alcools primaires (figure 56), en plus du clivage principal C-C en α de l atome d oxygène, présentent une série de pics homologues d intensité progressivement décroissante résultant des clivages successifs de liaisons C-C à partir de l atome d oxygène. Dans les alcools à longue chaîne (> C 6 ), la fragmentation est dominée par le motif de fragmentation des hydrocarbures ; de fait, le spectre ressemble à celui de l alcène correspondant. Au voisinage S. Gillet MS

135 du pic de l ion moléculaire, très faible, voir inexistant, le spectre d un alcool primaire est parfois compliqué par de faibles pics [M 2] et [M 3]. Habituellement, un pic [M 18] marqué, et parfois prédominant, résulte de la perte d une molécule d eau. On le remarque plus dans les spectres d alcools primaires. Cette élimination par impact électronique est justifiée par la perte d un hydrogène en δ. Le pic [M 18] est souvent amplifié par la décomposition thermique des alcools supérieurs sur les surfaces chaudes de l injecteur. L élimination d eau, en même temps que celle d un alcène à partir des alcools primaires, rend compte de la présence d un pic à [M - (alcène + H 2 O)], ce qui donne des pics à [M 46], [M 74], [M 102], etc. Les alcools cycliques : Les alcools cycliques subissent une fragmentation complexe, On constate sur de telles molécules des pertes d eau, d éthène et d un méthyle. Figure 56 : spectre de masse du pentanol. Les alcools benzyliques : Chez les alcools benzyliques, le pic parent est en général intense. Un pic benzylique d intensité modérée [M OH] peut-être présent comme on peut l attendre à partir du clivage en β du cycle. Une séquence complexe conduit aux pics principaux [M 1], [M 2] et [M 3]. L alcool benzylique lui-même se fragmente pour S. Gillet MS

136 donner dans l ordre, l ion [M 1], l ion C 6 H 7 + par élimination de CO et l ion C 6 H 5 + par perte de H 2. Il est également courant d avoir un pic marqué à [M - 18] dû à la perte de H 2 O. Les phénols : Au niveau des phénols, un pic d ion moléculaire très visible facilite leur l identification (figure 57). Dans le cas du phénol proprement dit, le pic de l ion moléculaire est le pic de base et le pic [M 1] est petit. Les phénols présentent habituellement un pic de réarrangement à m/z 77 et également des pics résultants de la perte de CO [M-28] et de CHO [M-29]. Figure 57 : spectre de masse de l o-éthylphénol LES ÉTHERS Les éthers aliphatiques : Le pic de l ion moléculaire (situé deux unités de masse plus haut que l analogue hydrocarboné) est petit, mais des échantillons plus important rendent, en général, le pic moléculaire, ou le pic [M + 1], évident (transfert de H au moment de la collision ion-molécule). La présence d un atome d oxygène peut être déduite des pics intenses à m/z 31, 45, 59, 73, etc. (figure 58). Ces pics représentent les fragments RO + et ROCH + 2. La fragmentation se fait selon deux voies principales : 1. Rupture de la liaison C-C voisine de l atome d oxygène. L un ou l autre des ions contenant l atome d oxygène peut être le pic de base. S. Gillet MS

137 2. Rupture de la liaison C-O avec rétention de la charge sur le fragment alkyle. Les spectres des éthers à longue chaîne sont dominés par l empreinte des hydrocarbures. Figure 58 : Spectre de masse du sec-butyl éthyl éther. Les éthers aromatiques : Pour les éthers aromatiques, l ion moléculaire est prédominant (figure 59). Un clivage primaire a lieu au niveau de la liaison en β par rapport au cycle puis le premier ion formé se décompose. Figure 59 : Spectre de masse de l anisole. S. Gillet MS

138 4.7. LES CÉTONES Les cétones aliphatiques : Le pic de l ion moléculaire des cétones, est généralement assez prononcé. Les pics de fragmentation majeurs des cétones aliphatiques résultent du clivage des liaisons C-C adjacentes à l atome d oxygène, la charge restant sur l ion acylium stabilisé par résonance. Ainsi, comme avec les alcools et les éthers, le clivage est facilité par la présence de l atome d oxygène. Ces clivages donnent naissance à des pics à m/z 43, 57 ou 71, etc. Le pic de base résulte très souvent de la perte du groupe alkyle le plus important. Quand une des chaîne alkyle liées au groupe C=O, est en C 3 ou plus longue, la rupture du lien C-C à une liaison du groupe C=O (liaison α,β), à lieu avec migration d hydrogène pour donner un pic principal. C est le réarrangement de McLafferty. Le simple clivage du lien α,β qui n a jamais lieu, donnerait un ion de faible stabilité car il aurait deux centres adjacents positifs. Il faut également noter que les pics hydrocarbonés des cétones à longues chaînes ne peuvent être distingués des pics acyles, puisque la masse d une unité C=O (28) est la même que celle de deux unités méthylène. Les cétones cycliques : Pour les cétones cycliques, l ion moléculaire est également assez prononcé (figure 60). Comme pour les cétones aliphatiques, le premier clivage des cétones cycliques est adjacent au groupe C=O, mais l ion ainsi formé doit subir d autres clivages pour produire un fragment. S. Gillet MS

139 Figure 60 : Spectre de masse de la cyclohexanone. Les cétones aromatiques : Chez les cétones aromatiques, l ion moléculaire est lui aussi bien évidement très visible. Leur clivage se produit au niveau de la liaison en β par rapport au cycle, laissant le fragment caractéristique ArC O + (m/z 105) qui donne généralement le pic de base. La perte d un CO à partir de ce fragment donne l ion aryle. La rupture de la liaison adjacente au cycle pour former un fragment R CO + est moins importante LES ALDÉHYDES Les aldéhydes aliphatiques : Le pic de l ion moléculaire des aldéhydes aliphatiques est généralement apparent. Les ruptures des liaisons C-H et C-C voisines de l atome d oxygène résultent en un pic [M 1] et [M R] (m/z 29, CHO + ). Le pic [M 1] est caractéristique même pour les aldéhydes à longues chaînes (figure 61), mais le pic à m/z 29 présent dans les aldéhydes en C 4 et plus est dû à l ion hydrocarboné C 2 H + 5. Dans ces aldéhydes, le clivage de McLafferty de la liaison C-C α,β donne un pic majeur à m/z 44, 58 ou 72, etc. selon les substituants en α. Il s agit de l ion stabilisé par résonance et formé durant l état de transition cyclique. S. Gillet MS

140 Dans les aldéhydes à chaîne linéaire, les autres pics caractéristiques sont à [M 18] (perte d eau), [M 28] (perte d éthylène), [M 43] (perte de CH 2 =CH-O ) et [M 44] (perte de CH 2 =CH-OH). Figure 61 : Spectre de masse du nonanal. Les aldéhydes aromatiques : Quant aux aldéhydes aromatiques, ils sont caractérisés par un pic d ion moléculaire grand et par un pic [M 1] (Ar-C O+) toujours important pouvant être plus grand que le pic de l ion moléculaire. L ion [M 1], C 6 H 5 C O + libère CO pour donner l ion phényle (m/z 77), qui à son tour élimine une molécule d acétylène pour donner l ion C 4 H + 3 (m/z 51) LES ACIDES CARBOXYLIQUES Les acides carboxyliques aliphatiques : Le pic de l ion moléculaire d un acide carboxylique linéaire est faible bien que généralement présent. Le pic le plus caractéristique (parfois le pic de base) à m/z 60 est dû à un réarrangement de McLafferty (figure 62). Une ramification sur le carbone en α accentue ce clivage. S. Gillet MS

141 Dans les acides à chaîne courte, les pics à [M OH] et [M - CO 2 H] sont prédominants : ils représentent le clivage des liaisons voisines du C=O. Dans les acides à longue chaîne, le spectre consiste en deux séries de pics résultant de la rupture de chaque liaison C-C avec rétention de la charge soit sur le fragment contenant l atome d oxygène (m/z 45, 59, 73, 87, etc.) soit sur le fragment alkyle (m/z 29, 43, 57, 71, 85, etc.). Le motif de fragmentation des hydrocarbures montre aussi des pics à m/z 27, 28, 41, 42, 55, 56, 69, 70, etc. En résumé, à coté du pic de réarrangement de McLafferty, le spectre des acides à longue chaîne ressemble aux séries d amas des hydrocarbures à intervalle de masse de 14 unités. Figure 62 : Spectre de masse de l acide décanoïque. Les acides carboxyliques aromatiques : Chez les acides aromatiques, le pic de l ion moléculaire prédomine. Les autres pics majeurs sont formés par la perte de OH [M 17] et de COOH [M 45]. H 2 O [M 18]. Notons que si un groupe en ortho porte un hydrogène, il y a majoritairement perte de S. Gillet MS

142 4.10. LES ESTERS Les esters aliphatiques : Le pic de l ion moléculaire d un ester méthylique dérivant d un acide aliphatique linéaire est généralement marqué (même si un peu plus faible entre m/z 130 et 200). Le pic le plus caractéristique est du au réarrangement de McLafferty et au clivage d une liaison αβ par rapport au carbone du groupe C=O. Ainsi, un ester ramifié sur le carbone en α donne un pic important à m/z 74 (figure 63). Le fragment portant la fonction alcool et/ou le substituant en α peut souvent être déduit de la position du pic résultant de ce clivage. C=O. Pour un ester quelconque, quatre ions peuvent résulter d une scission au voisinage de L ion R + domine dans le cas des esters courts mais décroît rapidement lorsque la longueur de la chaîne augmente. L ion R-C O + donne un pic caractéristique des esters. Les ions [OR ] + et [C(=O)OR ] + sont généralement peu importants. Lorsque la partie acide est prédominante, on constate un clivage à chaque liaison C-C qui donne un ion alkyle (m/z 29, 43, 57, etc.) et un ion contenant les atomes d oxygène C n H 2n- 1O + 2 (m/z 59, 73, 87, etc.) Le pic (m/z 87) de l ion [CH 2 CH 2 COOCH 3 ] + est toujours plus intense que ses homologues sans explication claire à cela (figure 31). Figure 63 : Spectre de masse de l'octanoate de méthyle. S. Gillet MS

143 Lorsque la partie alcool est prédominante, il y a élimination d une molécule d acide de la même manière que les alcools éliminent l eau. Les esters d alcools à longue chaîne montrent un pic caractéristique à m/z 61, 75 ou 89, etc. provenant de l élimination de la partie alkyle et du transfert de deux atomes d hydrogène vers le fragment contenant les atomes d oxygène, qui est par essence l acide carboxylique protoné. Les esters aromatiques : Les esters d acides aromatiques ont un pic d ion moléculaire prédominant. Plus la taille de la partie alcool augmente, plus l intensité du pic de l ion moléculaire décroît rapidement. Le pic de base résulte de l élimination de RO, et l élimination de COOR rend compte d un autre pic prédominant. Quand la partie alkyle s allonge, trois modes de clivages deviennent importants : - le réarrangement de McLafferty - Le réarrangement de deux atomes d hydrogènes avec élimination d un radical alkyle - La rétention de la charge positive par le groupe alkyle LES AMINES Les amines aliphatiques : Le pic de l ion moléculaire d une amine aliphatique est impair, généralement plutôt faible, et indétectable dans les amines à longues chaînes ou fortement ramifiée. Le pic de base résulte souvent d un clivage C-C proche de l atome d azote ; pour les amines primaires non ramifiées sur le carbone en α, il est à m/z 30 (CH 2 NH + 2 ) Ce clivage rend compte du pic de base pour toutes les amines primaires ainsi que pour les amines secondaires et tertiaires non ramifiées sur le carbone en α. La perte de la ramification la plus importante du carbone en α est favorisée. En l absence de ramification sur le carbone en α, un pic [M 1] est généralement détecté. Il s agit du même type de clivage que celui des alcools. S. Gillet MS

144 Les amines primaires à chaîne linéaire présentent une série de pics homologues dont l intensité décroît progressivement à m/z 30, 44, 58, etc. résultant des clivages des liaisons C- C de plus en plus éloignées de l atome d azote avec rétention de la charge sur le fragment contenant l azote. Ces pics sont accompagnés du motif de fragmentation des ions hydrocarbures C n H 2n+2, C n H 2n, C n H 2n-1. Des fragmentations cycliques semblent également apparaître pendant la fragmentation des amines à longue chaîne. Bien que non concluant, un pic à m/z 30 permet de mettre en évidence une amine primaire linéaire. La décomposition supplémentaire du premier ion formé à partir d une amine secondaire ou tertiaire, conduit à un pic à m/z 30, 44, 58, 72, etc. C est un processus semblable à celui décrit pour les alcools et les éthers aliphatiques. Les amines cycliques : Les pics d ions moléculaires des amines cycliques sont habituellement intenses à moins qu il n y ait substitution en position α. Le clivage primaire des liaisons voisines de l atome d azote conduit soit à la perte d un atome d hydrogène α pour donner un pic [M 1] important, soit à l ouverture du cycle. Cette dernière possibilité est suivie d élimination d éthylène pour donner CH 2 N + H=CH 2 (m/z 43, pic de base) puis par la perte d un atome d hydrogène pour donner CH 2 =N + =CH 2 (m/z 42). Les amines aromatiques : Le pic d ion moléculaire d une amine aromatique est intense. Dans le cas d une amine primaire, on constate la perte d un proton et d une molécule neutre HCN conduisant à des pics prédominants à m/z 66 et LES AMIDES Les amides aliphatiques : Le pic de l ion moléculaire des amides aliphatiques linéaire est généralement présent. Les modes de clivage dominants dépendent de la longueur de la partie acyle et de la longueur et du nombre des groupes alkyles liés à l atome d azote. S. Gillet MS

145 Le pic de base (m/z 59, H 2 NC(=OH + )CH 2 ) présent pour toutes les amides primaires à chaîne linéaires supérieures à la propionamide résulte du réarrangement de McLafferty. La ramification sur le carbone en α (CH 3, etc.) donne un pic homologue à m/z 73 ou 87, etc. Les amides primaires donnent un pic important à m/z 44 dû à la rupture de la liaison R-CONH 2 (O=C= + NH 2 ), c est le pic de base dans les amides primaires en C 1 -C 3. Un pic modéré à m/z 86 résulte d un clivage C-C γ,δ, pouvant s accompagner d une cyclisation. Les amides secondaires et tertiaires portant un hydrogène sur le carbone en γ de la partie acyle et des groupes méthyles sur l atome d azote présentent un pic dominant résultant du réarrangement de McLafferty. Quand les groupes N-alkyles sont en C 2 ou plus et que la partie acyle est plus courte que C 3, un autre mode de clivage prédomine. C est le clivage du groupe N-alkyle en β de l atome d azote, et le clivage de la liaison C-N (C du carbonyle) avec migration d un atome d hydrogène en α de la partie acyle et libération de + NH 2 =CH 2 (m/z 30). Les amides aromatiques : Pour les amides aromatiques, dont la benzamide est un exemple type, on note la perte de NH 2 à partir de l ion moléculaire conduisant à un cation benzoyle stabilisé par résonance qui subit à son tour un clivage pour donner le cation phényle. Une autre voie de fragmentation donne naissance à un pic d intensité modeste à m/z LES NITRILES Les nitriles aliphatiques : Les pics d ion moléculaires des nitriles aliphatiques sont faibles ou absents, mais le pic [M + 1] peut être repéré, en général, par son comportement en augmentant la quantité d échantillon. Un pic [M 1] faible, mais utile pour le diagnostique, est formé par perte d un hydrogène en α avec formation de l ion stable : RCH=C=N +. S. Gillet MS

146 Le pic de base des nitriles à chaîne linéaire comprise entre C 4 et C 9 est à m/z 41. Ce pic correspond à l ion résultant d un transfert d hydrogène dans un état de transition formant un cycle à six centres. La présence de ce pic ne permet pas de conclure quant à la présence d un nitrile ou non, car le pic C 3 H 5, présent dans toutes les chaînes carbonées a le même rapport m/z. plus. Un pic à m/z 97 est caractéristique et intense dans les nitriles à chaîne linéaire en C 8 et Un simple clivage de chaque liaison C-C tout au long de la chaîne (sauf celle voisine de l atome d azote) donne une série caractéristique de pics homologues de masse paire (m/z 40, 54, 68, 82, etc.) due aux ions (CH 2 ) n C N LES COMPOSÉS NITRÉS Les composés nitrés aliphatiques : Le pic de l ion moléculaire (nombre pair) d un composé aliphatique mono-nitré est faible ou absent. Les pics principaux sont attribuables aux fragments hydrocarbonés jusqu à [M - NO 2 ]. La présence du groupe nitro est indiquée par un pic appréciable à m/z 30 (NO + ) et un pic plus faible de masse 46 (NO 2 ). Les composés nitrés aromatiques : Les composés nitrés aromatiques ont un pic d ion moléculaire intense (nombre impair quand il n y a qu un atome d azote). Les pics prédominants résultent de l élimination d un radical NO 2 ([M 46], pic de base du nitrobenzène), et d une molécule neutre de NO avec réarrangement pour former le cation phénoxy [M 30]. La perte d acétylène à partir de l ion [M 46] justifie le pic intense à [M 72] et la perte de CO à partir de l ion [M 30] donne un pic à [M 58]. S. Gillet MS

147 4.15. LES NITRITES Le pic de l ion moléculaire (nombre impair) des nitrites aliphatiques (contenant un N) est faible ou absent. Le pic à m/z 30 (NO + ) est toujours intense et est souvent le pic de base. Il y a un grand pic à m/z 60 (CH 2 = + ONO) pour tous les nitrites non ramifiés sur le carbone α. Une ramification en α peut être identifiée par un pic à m/z 74, 88 ou 102, etc. L absence d un grand pic à m/z permet de les différencier des composés nitrés. Les pics hydrocarbonés sont prédominants et leurs distribution et intensités décrivent l arrangement de la chaîne carbonée LES NITRATES Le pic de l ion moléculaire (nombre impair) d un nitrate aliphatique (contenant un seul N) est faible ou absent. Un pic prédominant (souvent le pic de base) est formé par rupture de la liaison C-C voisine du groupe ONO 2 avec perte du groupe alkyle attaché au carbone α, le plus lourd. Le pic NO + 2 à m/z 46 est également dominant. Comme dans le cas des nitrites aliphatiques, les fragments ioniques des hydrocarbures sont présents LES COMPOSÉS SOUFRÉS La contribution de 4,4% de l isotope 34 S au pic [M + 2] et souvent au pic [fragment + 2], permet de reconnaître facilement les composés contenant du soufre. Une série homologue de fragments soufrés est décalée de plus de quatre unités de masse par rapport à la série des fragments hydrocarbonés. Le nombre d atome de soufre peut être déterminé par l importance de la contribution de l isotope 34 S au pic [M + 2]. Les mercaptans aliphatiques (Thiols) : le pic de l ion moléculaire des mercaptans aliphatiques est intense sauf dans le cas des mercaptans tertiaires supérieurs. Le pic [M + 2] est de ce fait mesurable. Les modes de clivages sont souvent proches de ceux des alcools. La rupture de la liaison C-C (liaison α,β) voisine du groupe SH donne l ion caractéristique CH 2 =SH + (m/z 47). Le soufre stabilise nettement moins ce fragment que l azote mais mieux S. Gillet MS

148 que l oxygène. Le clivage de la liaison β,γ donne un pic à m/z 61 d une intensité moitié moindre que celle du pic à m/z 47. Le clivage au niveau de la liaison γ,δ donne un petit pic à m/z 75 et le clivage au niveau de la liaison δ,ε donne un pic à m/z 89 qui est plus intense que celui à m/z 75. Il est probable que l ion à m/z 89 est stabilisé par cyclisation : Les mercaptans primaires éliminent également H 2 S pour donner un pic intense à m/z 34, l ion résultant perd ensuite une molécule d éthylène : donnant naissance aux séries homologues [M - H 2 S - (CH 2 =CH 2 ) n ]. Les mercaptans secondaires et tertiaires se clivent au niveau du carbone en α avec perte du groupe le plus gros pour donner un pic dominant [M - CH 3 ], [M - C 2 H 5 ], [M - C 3 H 7 ], etc. Cependant, un pic à m/z 47 peut aussi apparaître comme un pic de réarrangement de mercaptans secondaires et tertiaires. Un pic à [M 33] (perte de HS) est habituellement présent dans les mercaptans secondaires. mercaptan. Dans les mercaptans à longue chaîne, le motif hydrocarboné se superpose au motif Les sulfures aliphatiques : Le pic de l ion moléculaire des sulfures aliphatiques est généralement suffisamment intense pour pouvoir mesurer le pic [M + 2] avec précision. Les modes de clivages sont proches de ceux des éthers. La rupture de l une ou l autre des liaisons C-C α,β avec perte du groupe le plus gros est favorisée. Ces ions formés en premier lieu évoluent par transfert d hydrogène et élimination d un alcène. Les étapes rencontrées pour les éthers aliphatiques se présentent également dans le cas des sulfures. Le résultat final est l ion RCH=SH +. Pour un sulfure non ramifié sur un des carbone δ, cet ion est CH 2 =SH + (m/z 47), et son intensité peut prêter à confusion avec le même ion provenant d un mercaptan ; cependant, S. Gillet MS

149 l absence de pics [M - H 2 S] ou [M SH] dans les spectres des sulfures permet de faire la distinction. Un pic moyen à intense à m/z 61 est présent dans le spectre de tous les sulfures, excepté les tertiaires (figure 64). Quand un substituant méthyle est présent en α, m/z 61 représente l ion CH 3 CH=SH + résultant du double clivage décrit précédemment. Les sulfures de méthyle primaires se clivent au niveau de la liaison α,β pour donner l ion CH 3 -S + =CH 2 à m/z 61. Les sulfures aliphatiques à chaîne linéaire donnent également un ion à m/z 61 qui est formé selon le mécanisme suivant : Les sulfures donnent un ion caractéristique par rupture de la liaison C-S avec rétention de la charge sur le soufre. L ion résultant RS + donne un pic à m/z [32 + CH 3 ], [32 + C 2 H 5 ], [32 + C 3 H 7 ], etc. L ion à m/z 103 semble spécialement favorisé, peut être par la formation d un ion cyclique réarrangé. Figure 64 : Spectre de masse du Di-n-pentylsulfure. S. Gillet MS

150 Les disulfures aliphatiques : Le pic moléculaire, au moins jusqu aux disulfures en C 10, est important. Un pic majeur résulte de la rupture d une des liaisons C-S avec rétention de la charge sur le fragment alkyle. Un autre pic majeur est issu du même clivage avec transfert d un atome d hydrogène pour former le fragment RSSH, qui conserve la charge. Les autres pics résultent apparemment du clivage entre les atomes de soufre sans réarrangement et avec migration d un ou deux hydrogènes pour donner respectivement [RS + ], [RS + - 1] et [RS + - 2] LES COMPOSÉS HÉTÉROAROMATIQUES Le pic moléculaire des hétéroaromatiques alkylés et non alkylés est intense. La rupture de la liaison en β du cycle est la règle générale. La localisation de la charge de l ion moléculaire sur l hétéroatome plutôt que sur le cycle aromatique, justifie de manière satisfaisante le mode de clivage observé. Les cycles hétéroaromatiques à cinq chaînons présentent des schémas de clivage du cycle très similaires. Dans tous les cas, la première étape est la rupture de la liaison carbonehétéroatome, suivie de la perte, soit d une molécule neutre d acétylène, soit d un fragment radicalaire. S. Gillet MS

151 5. EXERCICES S. Gillet MS

152 3. 4. S. Gillet MS

153 5. 6. S. Gillet MS

154 7. 8. S. Gillet MS

155 9. S. Gillet MS

156 S. Gillet MS

157 12. S. Gillet MS

158 6. TABLES S. Gillet MS

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185 7. RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES CHIM PROF. R. GIASSON. UNIVERSITÉ DE MONTTRÉAL. CHIMIE THÉORIQUE ET PHYSIQUE APPLIQUÉE À L ANALYSE STRUCTURALE DE BIOMOLÉCULES. PROF. B. WATHELET. COURS DE 3 ÈME BACHELIER CHIMIE ET BIOINDUSTRIES. FUSAGX. CHIMIE THÉORIQUE ET PHYSIQUE, NOTES DE TRAVAUX PRATIQUES. FUSAGX. CHIMIE THÉORIQUE ET PHYSIQUE. PROF. M. MARLIER. COURS DE 1 ÈRE INGÉNIEUR CHIMIE ET BIOINDUSTRIES. FUSAGX. ROUESSAC, ROUESSAC. ANALYSE CHIMIQUE MÉTHODES ET TECHNIQUES INSTRUMENTALES MODERNES 5 ÈME ÉDITION. DUNOD P. SILVERSTEIN, WEBSTER, KIEMLE. IDENTIFICATION SPECTROMÉTRIQUE DE COMPOSÉS ORGANIQUES 2 ÈME ÉDITION. DE BOECK UNIVERSITÉ P. SKOOG, HOLLER, NIEMAN. PRINCIPES D ANALYSE INSTRUMENTALE 1 ÈRE ÉDITION. DE BOECK UNIVERSITÉ P. SPECTRAL DATABASE FOR ORGANIC COMPOUNDS, SDBS. S. Gillet MS

186 CHAPITRE 3. LA RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE (RMN) PARTIE 1. SPECTROMÉTRIE RMN DU PROTON PARTIE 2. SPECTROMÉTRIE RMN DU CARBONE PARTIE 3. SPECTROMÉTRIE RMN DE CORRÉLATION : RMN 2D A. Richel RMN

187 PARTIE 1. SPECTROMÉTRIE RMN DU PROTON 1. INTRODUCTION La spectrométrie de résonance magnétique nucléaire (RMN) est basée sur les propriétés magnétiques de certains noyaux atomiques. Dans des conditions particulières, un échantillon placé dans un champ magnétique peut absorber une onde électromagnétique dans la gamme des radiofréquences (rf) à des fréquences propres et spécifiques de l échantillon. L absorption de l onde électromagnétique est fonction de certains noyaux présents dans la molécule. Un spectre RMN à une dimension est donc un graphique représentant en ordonnée l intensité des pics et en abscisse la fréquence d absorption carcatéristique de certains noyaux et/ou groupements particuliers. A. Richel RMN

188 2. ASPECTS THÉORIQUES 2.1. PROPRIÉTÉS MAGNÉTIQUES DES NOYAUX NOTION DE SPIN Tous les noyaux atomiques possèdent une charge. Pour certains, cette charge tourne autour de l axe nucléaire (Figure 1a). La rotation de cette charge induit un dipôle magnétique le long de cet axe. Le moment angulaire de cette charge en rotation peut être décrit en termes de nombre de spin I ayant pour valeur 0, 1/2, 1, 3/2, etc. (I = 0 signifie que le noyau ne possède pas de spin). La valeur intrinsèque de dipôle généré est exprimée en termes de moment magnétique nucléaire µ. (a) (b) Figure 65. (a) Génération d un dipôle magnétique par rotation de la charge du proton. (b) Mouvement de précession quand le noyau est placé dans un champ magnétique externe B 0. Le nombre de spin I peut être déterminé sur base des masses atomiques et des nombres atomiques comme indiqué dans le Tableau 1. Des noyaux possèdant un nombre de spin I de 1/2 donnent facilement des spectres RMN (ils possèdent une distribution de charge sphérique uniforme comme illustrée dans la Figure 1). C est le cas principalement du 1 H et du 13 C, dont la spectrométrie RMN va être décrite plus en détails. A. Richel RMN

189 Tableau 1. Nombre de spin I pour différentes combinaisons de masses atomiques et de numéros atomiques. I Nombre de masse Numéro atomique Exemple de noyaux I =1/2 1 H 1 Impaire Impaire H 3 H 1 Impaire Paire 13 C 6 15 N 7 17 O 8 19 F 9 31 P 15 I =1 Paire Impaire H 2 H 1 I =0 Paire Paire 12 C 6 14 N 7 16 O EXCITATION DE NOYAUX DE NOMBRE DE SPIN I = 1/2 Pour un noyau avec I = 1/2 placé dans un champ magnétique externe, 2 niveaux d énergie existent : E 0 et E 1. Le niveau d énergie le plus bas est le plus peuplé en accord avec la distribution de Boltzmann. La différence d énergie ( E) entre les niveaux E 0 et E 1 est donnée par la relation : E = (hγ/2π)b 0 Où : h = constante de Planck γ = rapport gyromagnétique caractéristique de chaque noyau et définie par γ = 2πµ/hI B 0 = force du champ magnétique Si une énergie est apportée sous la forme de radiation de type radiofréquence (avec une fréquence ν 1 suffisante), il est possible de provoquer une transition entre le niveau E 0 et E 1 dans un champ magnétique stationnaire de force donnée B 0. Dans ces conditions, on dit que le système est en résonance ; l énergie est absorbée par le noyau ( 1 H), l amenant dans un état plus énergétique, et un spectre peut être enregistré. A. Richel RMN

190 E 1 I = 1/2 E 0 Figure 66. Visualisation des 2 niveaux d énergie E 0 et E 1 du proton dans un champ magnétique d intensité B 0. Le champ magnétique (B 0 ) est dirigé vers le haut et la force du champ augmente vers la droite. Plus B 0 est intense et plus E est grand ENREGISTREMENT D UN SPECTRE PROTON Quand il est soumis à un champ magnétique externe de force B 0, le noyau s aligne sur le champ mais entre aussi en précession avec une fréquence ν appelée fréquence de Larmor (Figure 1b). Pour un ensemble de protons équivalents en précession avec une phase aléatoire autour de l axe z (dans la direction du champ magnétique), il en résulte une aimantation nette M 0 dans l axe z (et nulle dans le plan xy) (Figure 3). A. Richel RMN

191 B 0 z M 0 y x Figure 67. Enemble de noyaux en précession et aimantation M 0 résultante alignée avec le champ magnétique stationnaire B 0. Le but lors de l acquisition d un spectre RMN est de faire basculer l aimantation nette M 0 dans le plan xy et d en mesurer la composante dans ce plan transversal. Pour ce faire, on applique un second champ magnétique B 1 tournant de direction convenable (càd à B 0 ) pendant une durée limitée très courte («technique pulsée»). On étudie ensuite la phase de relaxation au cours de laquelle l'aimantation retrouve progressivement sa valeur d'équilibre (Figure 4). (a) z (b) z (c) z M 0 M 0 M M Oscillateur de champ B 1 Composante tounante de B 1 y y y x x Projection de M sur y x B 0 Figure 68. (a) Application du second champ magnétique tournant de force B 1. (b) Basculement de l aimantation nette M 0 en M dans le plan xy. (c) Relaxation de M vers M 0 selon une spirale amortie. A. Richel RMN

192 Le moment magnétique M généré dans le plan xy est mesuré par une bobine détectrice montée dans le plan xy. Afin d obtenir un spectre la fréquence de l oscillateur ν 1 est balayée sur une gamme de fréquences. L intensité de M est maximale quand la fréquence de l oscillateur est égale à la fréquence de précession de Larmor ν SEQUENCE PROTON CLASSIQUE L enregistrement d un spectre 1 H classique s opère par technique pulsée (Figure 5). Une impulsion radiofréquence (rf) de quelques µs et centrée sur la fréquence ν1 (ν de résonance typique des protons) est appliquée le long de l axe x. Son action est de faire basculer l aimantation nette M 0 de 90 pour la positionner dans le plan xy. Les signaux d aimantation sont immédiatement détectés dans le plan xy après l impulsion et collectés par un ordinateur sur un laps de temps applée «période d acquisition» t 2. Durant cette période t 2, les projections sur l axe y des signaux M en précession autour de l axe z sont détectés (cfr Figure 4c, spirale amortie de M). Après l impulsion, M est localisé sur l axe y et l intensité du signal est maximale. Après un intervalle de temps, les signaux s orientent sur l axe x : leurs projections sur y sont nulles. En poursuivant leur rotation, les signaux atteignent leur minimum sur l axe y. Cette rotation se poursuit jusqu à ce que M reviennent à l équilibre (Figure 5c). Le signal enregistré suit donc une sinusoidale amortie dénommée FID (Free Induction Decay). L application de la transformée de Fourier (transformation d un signal en fct du temps en un signal en fct de la fréquence) permet de convertir ce signal en un spectre RMN conventionnel. A. Richel RMN

193 Figure 69. (a) Séquence d impulsion pour un spectre proton standard. (b) Représentation de l effet de l angle de pulse de l impulsion sur le signal enregistré. (c) Rotation du signal dans le plan xy après l impulsion à 90 («spirale amortie»). A. Richel RMN

194 2.5. PHÉNOMÈNE DE RELAXATION Le phénomène de relaxation peut être décrit comme la manière dont l aimantation M va reprendre sa position d équilibre le long de z après l impulsion rf à 90. La relaxation est dépendante de la nature du noyau ( 1 H se relaxe bien plus vite que 13 C) et de leur environnement chimique SEQUENCE PROTON CLASSIQUE ASPECTS PRATIQUES Pour des molécules présentant n massifs de protons placés dans des environnements chimiques différents, la relaxation des 1 H après l impulsion va être différente. La FID consiste donc en une superposition de n sinusoides amorties. Après transformée de Fourier, le spectre se compose de n agrégats de pics (Figure 6a: acétone avec n = 1 tous les protons sont équivalents. Figure 6b : acétate d éthyle n = 3 3 groupes de protons différents). Figure 70. Spectres 1 H FID et après FT de l acétone (a) et de l acétate d éthyle (b). A. Richel RMN

195 3. INSTRUMENTATION Actuellement, les spectromètres RMN (250MHz-1.0GHz) employés sont à transformée de Fourier avec aimant supraconducteur refroidi à l hélium liquide et travaillent en mode pulsé (Figure 7). Pour des analyses en phase liquide, l échantillon (mis en solution dans un solvant deutéré dans un tube en verre de 5 mm de diamètre) est positionné dans la sonde (parallèle à l axe z de l aimant) contenant les bobines émettrices et réceptrices. Figure 71. Spectromètre avec aimant supraconducteur de type Varian Unity opérant à 600 MHz. Typiquement, des solvants comme le chloroforme deutéré (CDCl 3 ), le méthanol-d 4 (CD 3 OD), le DMSO-d 6 ou l eau deutérée (D 2 O) sont communs pour des analyses en routine. Le deutérium a effectivement une fréquence de résonance bien différente de celle de l'hydrogène, son rapport gyromagnétique γ valant 6,54 au lieu de 42,58 MHz/T pour l'hydrogène. A. Richel RMN

196 4. DÉPLACEMENTS CHIMIQUES- CONSTANTE D ÉCRAN BLINDAGE 4.1. SOURCE DU DÉPLACEMENT CHIMIQUE Tous les noyaux 1 H d une même molécule n ont pas exactement la même fréquence de résonance. La gamme de fréquences est plus ou moins étendue selon le noyau examiné (de l ordre de Hz pour le 1 H et Hz pour le 13 C dans un champ magnétique de 11.6 T). En effet, dans cette gamme, les signaux apparaissent à des fréquences différentes si les noyaux sont situés dans des environnements chimiques distincts. Le noyau n étant pas isolé mais situé dans un environnement électronique determiné par sa structure, l équation fondamentale de la RMN ν 1 = (γ/2π)b 0 se réécrit : ν effectif = (γ/2π)b 0 (1-σ) La valeur σ est définie comme la constante d écran dont la valeur est proportionelle au degré de blindage du noyau par son nuage électronique. Des électrons sous l influence d un champ magnétique circulent et, en circulant, génèrent leur propre champ magnétique qui s oppose au champ externe appliqué ; d où le «blindage» (Figure 8). Figure 72. Blindage des protons au sein d une fonction aldéhyde. Circulation des électrons le long de la liaison C=O et formation d un champ magnétique propre s opposant à B 0 externe. La différence dans la position de l absorption d un proton donné par rapport à la position d absorption d un proton de référence est appelée «déplacement chimique - δ» de A. Richel RMN

197 ce proton. Le composé de référence est le TMS (tétraméthylsilane: (CH 3 ) 4 Si). Par convention, le pic du TMS défini le zéro et est placé à droite du spectre. Les déplacements chimiques s expriment en unité sans dimension (représentées par δ ou ppm) en partant du δ 0.0 du TMS et s expriment selon la formule : δ = ν - ν ref ν ref Le déplacement chimique étant un rapport entre un numérateur et un dénominateur de mêmes dimensions, ce terme n a donc pas de dimension. Par contre, on voit souvent δ exprimé en ppm, ceci étant dû à l utilisation du facteur Pour le calcul de δ, il est possible de remplacer ν ref par ν 0 (ν 0 = fréquence du spectromètre) au dénominateur. Compte tenu des écarts de fréquence observés en RMN, cela constitue une très bonne approximation. On a alors : δ = ν - ν ref ν MHz TMS CH 3 Si H 3 C CH H 3 C 3 ν (Hz) δ (ppm) Haute fréquence Déblindé (Champ faible) Basse fréquence Blindé (Champ fort) TMS 600 MHz ν (Hz) δ (ppm) Figure 73. Echelle RMN à 300 et 600 MHz. Ainsi, sur l échelle de 600 MHz, un pic qui apparaitrait à 3000 Hz serait positionné à 3000 Hz/600MHz = 4 ppm (ppm = part par millon). A. Richel RMN

198 4.2. RELATION ENTRE LE DÉPLACEMENT CHIMIQUE ET L ENVIRONNEMENT CHIMIQUE : ÉLECTRONÉGATIVITÉ, ANISOTROPIE DIAMAGNÉTIQUE La constante d écran, et par conséquent le déplacement chimique, est fonction de divers paramètres : (a) l électronégativité des substituants voisins du noyau étudié Plus la couverture électronique est grande, plus le blindage est élevé et inversement. Lorsque la couverture électronique augmente, le champ nécessaire pour produire la résonance croît ainsi que l'illustre le dessin ci-dessous. Plus la densité électronique autour du noyau est faible, plus la constante d écran est faible (déblindage) et plus le déplacement chimique est grand. L exemple le plus significatif est celui des halogénures d alkyle (Tableau 2). Comme on pouvait le prévoir, le déplacement chimique, c est-à-dire le niveau de déblindage du proton suit l électronégativité de l halogénure présent. Tableau 2. Relation entre le déplacement chimique et l électronégativité des halogènes (selon Pauling) pour une série d halogénures d alkyle. CH 3 F CH 3 Cl CH 3 Br CH 3 I CH 3 H Electronégativité δ (CH 3 ) A. Richel RMN

199 Exemple d influence de l électronégativité sur le déplacement chimique A. Richel RMN

200 (b) les effets d anisotropie diamagnétique dus aux liaisons chimiques magnétiquement anisotropes (liaisons doubles et triples, cycles...) Il arrive couramment qu il ne soit pas possible d expliquer le déplacement chimique uniquement à partir de l électronégativité des groupements voisins. Ceci peut s expliquer par ce que l on appelle l anisotropie diamagnétique. Les effets d anisotropie diamagnétique signifient que le blindage (ou déblindage) dépend de l orientation de la molécule dans le champ magnétique externe. Exemple 1: cas de la molécule d acétylène (Figure 10) Cette molécule est linéaire et présente une liaison triple le long de l axe de la molécule. Si l axe de la molécule se trouve aligné avec le champ magnétique externe B 0, les électrons π des orbitales formant la liaison triple peuvent circuler perpendiculairement à B 0. Cette circulation d électrons induit un champ magnétique propre qui s oppose à B 0. Les lignes de champ magnétique induit par la circulation des électrons provoquent un blindage des protons et on retrouve leur signal RMN à plus basses fréquences que l electronégativité ne le prédit. (a) (b) Figure 74. (a) Blindage des protons alcynes avec visualisation de la circulation des ékectrons π. (b) Visualisation de l apparition de zones indiquées par un (+) et propices au blindage alors que les zones symbolysées (-) favorisent un déblindage. A. Richel RMN

201 Exemple 2: création de courant de cycle dans le benzène (Figure 11) Cet exemple explique le déblindage important des protons situés dans le plan du cycle benzénique. Typiquement, les protons relatifs à un cycle aromatique se présentent vers les δ 6-8 ppm. (a) (b) Figure 75. Déblindage des protons dans un cycle benzénique : effet de courant de cycle. (a) La circulation des électrons π (trait continu) induit un champ de réaction (trait pointillé) ; (b) Anisotropie du bénzène avec visualisation des zones (+) propices au blindage ; tandis que les zones (-) favorisent un déblindage. De manière générale, tous les groupements qui possèdent des électrons π au voisinage du proton étudié vont générer de l anisotropie diamagnétique. L amplitude des effets de l anisotropie s atténue lorsqu un proton est plus éloigné des liaisons multiples. Ainsi, les protons qui se trouvent sur des ramifications liées à un cycle aromatique seront peu influencés par l anisotropie, à mesure que la chaîne carbonée s allonge. Une bonne compréhension des concepts d electronégativité et d anisotropie diamagnétique permet ainsi une rationalisation et une prédiction des déplacements chimiques dans les spectres protons. Exemple 3 : 3-penten-2-one La mise en évidence de formes de résonance dans une cétone α,β-insaturée permet d illustrer le déblindage du proton en β («appauvrissement» de sa densité électronique). Cet effet explique pourquoi ce proton en β apparait à des déplacements chimiques plus importants. A. Richel RMN

202 C H 3 β H CH 3 C H 3 + H CH 3 α H O H _ O H β δ ~ 6.8 ppm H α δ ~ 6.2 ppm 4.3. TABLES DES DÉPLACEMENTS CHIMIQUES Le déplacement chimique exprimé en ppm est indépendant du champ B 0 appliqué, il ne dépend que de la fonction chimique étudiée et de son environnement. La Figure 12 est une table de déplacements chimiques proton pour les fonctions chimiques les plus courantes. Par exemple, on observe que le déplacement chimique d'un hydrogène sur un cycle benzénique est compris entre 6,8 et 8,4 ppm. La valeur exacte de son déplacement chimique dépendra des autres substituants du cycle, du solvant, de la température, etc. Figure 76. Tables des déplacements chimiques en RMN 1 H pour des groupements chimiques classiques. A. Richel RMN

203 5. NOTION D INTÉGRATION Les protons chimiquement identiques ont la même fréquence de précession (ou fréquence de résonance) et ont de ce fait le même déplacement chimique. L intensité du signal considéré est directement proportionnelle au nombre de protons impliqués dans ce signal. L intégration du signal (càd la mesure de l aire sous le pic) par rapport à un signal de référence permet alors de déterminer le nombre de protons par massif. Cette information sera importante pour retrouver la structure de la molécule. Un dispositif appelé intégrateur permet de mesurer la surface des différents pics ou d'ensembles de pics proches (appelés massifs). Cette surface est proportionnelle au nombre de protons correspondants. L'appareil trace alors sur le spectre une courbe possédant des marches appelée courbe d'intégration. Le rapport des hauteurs entre deux paliers est égal au rapport des nombre de protons impliqués dans les massifs correspondants. La courbe ne donne donc pas le nombre absolu de protons d'un massif mais leur proportion relative dans ce massif. La connaissance de la courbe d'intégration permet de préciser la structure de la molécule comme le montrent les exemples ci-dessous. A. Richel RMN

204 A. Richel RMN

205 6. EQUIVALENCE ET NON-EQUIVALENCE DES DÉPLACEMENTS CHIMIQUES Deux protons sont dits équivalents du point de vue du déplacement chimique s ils sont échangeables par une quelconque opération de symétrie ou par un mécanisme rapide (ex. interconversion) EQUIVALENCE DU DÉPLACEMENT CHIMIQUE PAR ÉCHANGE VIA UNE OPÉRATION DE SYMÉTRIE (a) Homotopie Des noyaux (ou groupes de noyaux) sont dits homotopiques s ils sont interchangeables par une opération de rotation. Dans ce cas, les déplacements chimiques sont identiques. C est le cas, par exemple, des 3 protons du trichlorométhane qui sont échangeables par rotation autour d un axe de symétrie C (b) Enantiotopie Des noyaux (ou groupes de noyaux) sont dits énantiotopiques s ils sont interchangeables par une opération de rotation suivie d une réflexion. Dans ce cas, les déplacements chimiques sont identiques. A. Richel RMN

206 Une combinaison entre homotopie et énantiotopie peut être pratiquement rencontrée. C est le cas du chlorométhoxyméthane. Les trois noyaux d hydrogène homotopiques du groupe méthyle donnent un signal unique, puisque l échange conformationnel rapide, par rotation autour de l axe C O, les rend équivalents en moyenne. Les deux noyaux énantiotopiques du groupe méthylène donnent eux-aussi un signal unique puisqu échangeables par réflexion sur le plan contenant les atomes de carbone, d oxygène et de chlore NON-EQUIVALENCE DES DÉPLACEMENTS CHIMIQUES Des noyaux (ou groupes de noyaux) sont dits diastéréotopiques s ils ne sont pas interchangeables par une opération de symétrie. Dans ce cas, les déplacements chimiques sont différents. Le couplage entre les 2 protons H a et H b est visible sur le spectre. H c Dans cette molécule, le groupement CH 2 consiste en une paire de protons diastéréotopiques H a et H b. Les protons H a et H b sont couplés entre eux par une constante de couplage J ab. Un couplage avec un proton H c adjacent est également observé avec des constantes de couplage J ac = J bc A. Richel RMN