IDENTIFICATION DES COMPOSES ORGANIQUES .une petite resumé sur la spectroscopie avec quelques examples

1. COURS (élément 2, matière 1) :
IDENTIFICATION DES COMPOSES
ORGANIQUES
MODULE : COMPLEMENT DE METHODES D’ANALYSE
FILIERE : SMC, SEMESTRE 5
RESPONSABLE : Pr. M. RAMDANI

2. CHAPITRE I
SPECTROMETRIE DE
MASSE

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

4. APPLICATIONS PRATIQUES
 Biologie : Détermination de Masses molaires >
100000 (à 1 unité près) pour des
macromolécules comme les proteïnes
 Etudes de pollution de l’environnement
 Détection de dopants chez les sportifs
 Sensibilité
AVANTAGES DE LA TECHNIQUE  Sélectivité
 Rapidité

5. Structure d'un spectromètre de masse

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

7. III.3 - Analyseur ou séparateur d’ions
 Ions positifs sont extraits de la source et
focalisés vers le secteur analyseur de masse
(ou séparateur d’ions).
Trie des ions suivant m/z
(en général, z = 1)
 Plusieurs types de séparateurs d’ions :
- Séparateur à champ magnétique
- Séparateur par champs électrique et magnétique
- Séparateur par des champs électriques (Quadripôle)
- Séparateur par des champs électriques (Trappe d’ions)
- Séparateur par la vitesse des ions (Temps de vol)

8. Cas d’un séparateur à champ magnétique
 Ion de masse m et de charge z accéléré
dans la source sous une ddp = V
 A la sortie de la source, l’ion a une vitesse
v et une énergie :
Ecinétique = ½ mv2 = zV
(énergie cinétique = énergie potentielle)

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

10. F = zvH = mv2/r  v = zHr/m
Or, ½mv2 = zV
H 2r 2
m/z 
2V
V : tension d'accélération
H : champ magnétique
r : rayon de la trajectoire de l’ion =
rayon de courbure de l'électroaimant

11. H r
m/z 
2V
2 2
Détection de tous les ions
produits (tous les m/z) :
par variation de H ou de V
En général, balayage du champ magnétique

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

13. L'ionisation électronique (EI)

14. III.2 - La source d’ions
Plusieurs types selon le mode d'ionisation
Le plus répandu : L'impact électronique
Ionisation des molécules se fait dans la source.
Source : chambre en acier inoxydable,
ss vide ≈ 6.10-7 mmHg
 Electrons dans la
source sont émis par un
filament en rhénium,
accélérés ss tension de
70 Volts
 Collisions entre molécules
et électrons se font à 70
eV : très énergétiques

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

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

17. L'ionisation chimique (CI)

18. Ionisation chimique

19. Si énergie interne des ions fils suffisamment
élevé  D’autres fragmentations etc….
 Durée de vie des ions
très brève ( μs)
 Nécessité de les faire
sortir de la source au plus
vite
 Molécules ou fragments
neutres formés au cours
des fragmentations éliminés
par un système de
pompage

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

21. IV - SPECTRE DE MASSE
 A la sortie du détecteur, on collecte les ions :
H r
- vérifiant la condition m / z  2V
- chargés positivement
2
2
(r : rayon de courbure de l'électroaimant)
 pic à une valeur m/z sur
le spectre de masse

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

23. Les différents types de pics
a - Le pic de base
 Pic le plus intense du
spectre  Ion le plus
abondant
b - Le pic moléculaire ou pic parent
 m/z = masse moléculaire

24. c - Les pics fragments
Exemple : Ammoniac
 Pic moléculaire m/z = 17
 Pics m/z = 14, 15 et 16 : pics fragments
 Pic de base m/z = 17
 ion moléculaire NH3+ . stable

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

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

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

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

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

30. V.1 - Masse moléculaire
 Masse de l’ion moléculaire = somme des
masses des isotopes les plus abondants
(12C,1H,16O,..) des éléments présents dans la
molécule.
 - Méthane
12C1H :
4
ion moléculaire à m/z = 16
7
=
84
7
x
1H
=
7
1
x
14N
=
14
x
16O
=
16
M
m/z = 121
12C
1
- Benzamide C7H7NO
Ion moléculaire M+.
x
=
121
La spectrométrie de masse permet de déterminer la
masse moléculaire d’une substance inconnue.

31. V.2 - Parité de l’ion moléculaire
REGLE DE LA PARITE
 Si le pic parent a une masse impaire
La molécule contient:
nombre impair d’éléments trivalents (N, P…)
CxHyOzNw (w =1,3,5…)
Exemple :
Benzamide C7H7NO m/z = 121
Nombre d’atomes d’azote : 1 (impair).

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

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

34. Pic M+1 :
* 13C1H4 : Abondance isotopique du carbone 13 =
1,1%  intensité du pic M+1 ≈ 1,1% de celle du pic
M (12C )
12C2H1H
: Abondance isotopique du 2H = 0,016%
3

35. Nombre et intensités relatives des pics
de l’amas isotopique
RELATION: (a+b)n
a : abondance relative de l’isotope le plus léger
b : abondance relative de l’isotope le plus lourd
prise égale à l’unité
n : nombre d’atomes de l’élément considéré

36. Isotopes d’abondance considérable
Cas du chlore et du brome
Isotope lourd (+2) est abondant
 Si la molécule contient n halogènes, l’intensité des
pics de l’amas isotopique est donnée par la relation
(a+b)n.
Exemple 1 : CH3Br
79Br:
100%
a=1
81Br:
98%
b=1
(a+b)1 = a + b
1 1
M M+2
Amas isotopique :
2 pics M et M+2
d’intensité relative 1:1

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

38.  Exemple 2 : CH2Cl2
M = 84
35Cl
: 100% 37Cl : 32,5%
a = 3
b = 1
(a+b)2 = a2 + 2ab + b2
9
6
1
M M+2 M+4
3 pics: M, M+2 et M+4
intensités relatives 9:6:1
84 – 49= 35 (35Cl)
86 – 51= 35 (35Cl)

40. Composés avec à la fois n atomes Cl et m atomes Br
Relation (a+b)n(c+d)m

41. V.4 - Les fragmentations
 Analyse d'un spectre de masse 
-
masse moléculaire
formule brute
mesure des rapports isotopiques d’un élément
structure moléculaire
En effet, les modes de
fragmentation dépendent des
groupes fonctionnels de la molécule

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

43. 1ère étape
 Ionisation d’une molécule M = expulsion d’un
électron d’une liaison ou d’un doublet libre :
M + 1e-  M+. + 2e-
Hétéroatomes  ionisation préférentielle sur l’un d’eux
 charge localisée sur l’hétéroatome
En général, charge non localisée
 utilistion de crochets [ ]

44. 2ème étape
Ion radical formé  généralement fragmentation
 Cycles aromatiques, autres
 Alcools, éthers et
systèmes π conjugués et
alcanes linéaires ou à
cycloalcanes :
chaînes ramifiées :
 plus grande tendance  doubles liaisons, cycle et
surtout cycle aromatique
à la fragmentation
stabilisent l’ion moléculaire
 pic moléculaire faible
 probabilité + grande de
l’apparition du pic parent

45. V.4.2 - Modes de fragmentation
 Probabilité de rupture d’une liaison est
fonction de l’énergie de cette liaison et
de la stabilité des ions formés
 Ruptures des liaisons sont :
- simples
- en α
- avec réarrangement …

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

47. V.4.2.2 - Ruptures 
 Présence d’un hétéroatome N, O, S, X :
« localisation » de la charge
 Le processus de fragmentation dépend de cette
localisation de charge.
a - Liaison carbone-carbone adjacente à un groupe carbonyle
Rupture facile:
 Formation d’un ion
acylium stabilisé par
résonance

48. Généralement
Molécule R-CO-R’ (cétone, acide, ester…) :
4 ions fragments
RCO+
R’CO+
R+
Fragments R+ et R’+
R’+
minoritaires

49. Exemple
fragments majoritaires : ruptures radicalaires
en α du carbonyle

50. b - Liaisons carbone-carbone adjacentes à un
hétéroatome
 Rupture facile : cation résultant stabilisé
par résonance

51. Exemple
Pic de base : m/z = 72
perte de CH3 à partir de l’ion moléculaire

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

53. a - Réarrangement de McLafferty
Pour des ions comportant une liaison C=O ou C=C
avec existence d’un H en  de l’insaturation
Exemple
 Transfert de H sur le site ionisé par
l’intermédiaire d’un mécanisme à six centres
 Elimination d’une molécule neutre d’éthylénique
 Formation d’un nouveau cation radical

54. b - Réaction rétro-Diels-Alder
Cyclohexènes
Fragmentation possible via une
réaction rétro-Diels-Alder

55. V.5 - Fragmentations de quelques classes chimiques
V.5.1 - Les hydrocarbures
Spectres de masse faciles à interpréter
V.5.1.1 - Alcanes linéaires
Ion R+
CH3+
CH3-CH2+
CH3-CH2-CH2+
CH3-CH2-CH2-CH2+
m/z
15
29
43
57
Pics les plus intenses du spectre : Ions 43 et 57
 cations les plus stables

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

57. V.5.1.2 - Alcanes ramifiés
 Ramification  plus grande probabilité de
clivage à l’embranchement
 Carbocation plus substitué  + stable
 Cas du néopentane
Pic parent absent sur
le spectre
Ion moléculaire se
fragmente rapidement
 carbocation
tertiaire stable

58. V.5.1.3 - Alcènes
Fragmentation des alcènes
 cation allylique stabilisé par résonance

59. V.5.1.4 - Composés benzéniques
 Spectres de masse facilement interprétables
 Pic parent toujours important :
ion moléculaire fortement stabilisé
pour le cycle aromatique

60. a - Le benzène
Fragmentations du benzène Pics caractéristiques



m/z = 77 : [M-H]+
m/z = 51 : C4H3+ [77 – 26 (acétylène)]
m/z = 39 : ion cyclique C3H3+ [51-12]

61. b - Les benzènes monosubstitués
Clivage  Substituant ≠ alkyle
Perte du substituant 
cation phényle à m/z = 77
etc … comme pour le benzène

62. Clivage β Substituant = alkyle de type CH2-R
Fragmentation prépondérante :
Rupture en  du cycle aromatique
"rupture benzylique"
Perte d’un hydrogène ou d’un groupe R
 cation tropylium C7H7+ à m/z = 91

63. V.5.1.5 - Alcools
 Pic parent souvent faible
 Fragmentation la plus importante :
perte d’un groupe alkyle,
préférentiellement le plus volumineux

64.  Souvent, pic important à M-18
 perte d'une molécule d'eau

65. V.5.1.6 - Aldéhydes
Clivage α
Clivage 

66. Si H en  de l’insaturation
Réarrangement de McLafferty
 fragment de masse 44 indiquant bien
la fonction aldéhyde

67. Chromatographie en phase gazeuse couplée
à la spectrométrie de masse ou GC-MS
Chromatographie en phase gazeuse ou CPG:
Phase mobile = éluant gazeux inerte (He, H2,
N2) qui entraîne le mélange à analyser.
Phase stationnaire, fixée sur un support
inerte, retient +/- les constituants du mélange.

68. Analyse des lipides par GC-MS
Lipides silylés
Interface
350°C
Pompage du vide
Injecteur splitless
300°C
Four
Source
d'ions
EI +
Helium
15 psi
Colonne capillaire
BP- X5, L=30m
300 °C
Analyseur
quadripolaire
Photo multiplicateur
d'é
m/z 30-800 Da
Detecteur de masse M D-800
GC 8000
100 à 200°C avec 10°/min
200 à 360°C avec 10°/min
30 min à 360°C
identification de x
Spectre de masse du composé x
Chromatogramme
Acquisition et
traitement des
données
(MassLab)

70. Injection à haute température CPG
s’applique aux gaz et aux composés susceptibles d’être
vaporisés sans décomposition à haute température:
échantillon liquide
Septum en méthyl-silicone
Cartouche
chauffante
Gaz vecteur
Zone chauffée - 300°C
Thermocouple
Liner
Colonne

71. Réactions de dérivation des lipides:
* Alkylation
* Silylation
En masquant les fonctions polaires, elles
permettent d'augmenter:
la volatilité
la stabilité
la détectabilité

72. Alkylation:
réduit la polarité des lipides en remplaçant
les H actifs par des groupements alkyles
O
R C
OH
Acide gras
+
CH3 OH
KOH
BF3
O
R C
O CH
3
Ester méthylique

73. Silylation:
réduit la polarité des lipides en remplaçant
les H actifs par des groupements
triméthylsilyl ou tert-butyl-diméthyl-silyl (tBDMS).
O
t-BDMCS
O
R C
OH
Acide gras
+
MTBSTFA
1H, 60°C
CH CH3
3
R C
O
C CH 3
CH3 CH 3
Si
Dérivé t-BDMS

74. Séparation des lipides dans la colonne
capillaire:
Colonne
Mélange
à séparer
Gaz vecteur
Phase stationnaire
0 t0
t1
t2
t3
Temps d'analyse
= Temps de rétention

75. Phase stationnaire
Phase stationnaire apolaire de type BP-X5 =
Polymethylphenylsiloxanes
BPX5
CH 3
CH 3
Si
CH 3
CH 3
O
Si
5% diphényl
95% diméthyl polysiloxane
CH 3
CH 3
O
CH 3
Séparation en fonction de:
....... O
Si
CH 3
Si
O
Si
O ......
CH 3
- la polarité (intéractions hydrophobes)
- la masse molaire
- la température

76. Exemple de chromatogramme (obtenu par CPG)

77. Résultats d’une analyse GC-MS
No
Compounds
KI
HD %
MAH %
1
tricyclene
919
0.86
0.73
930
14.53
19.74
12.87
17.07
2
-pinene
3
camphene
4
5
6
7
-pinene
o-cymene
limonene
1,8-cineole
946
974
1019
1024
1028
4.60
1.55
3.22
4.63
1.54
2.97
6.52
6.73
8
9
10
trans sabinene hydrat
alloocimene
camphor
1095
1122
1147
0.47
0.73
0.36
0.66
35.92
35.33
11
12
13
14
15
pinacarvone
1-borneol
terpinene-4-ol
p-cymen-8-ol
-terpineol
1154
1163
1173
1178
1185
0.41
3.38
1.20
0.75
3.47
1.13
0.12
0.77

78. Fréquences de résonance de différents noyaux
pour un champ magnétique d’intensité 9,4T

79. Tab1. Propriétés nucléaires de quelques isotopes
(a) Fréquence résonante pour une induction B0=1Tesla
(b) Valeurs calculées pour des nombres égaux de noyaux
Spin
isotope
Abondance
naturelle (Z)
γ/2π (MHz.T- ν0 (MHz) pour
B0=2.3487T
1)
I
1H
½
2H
1
13C
½
19F
½
31P
½
15N
½
14N
1
Sensibilité
relative à
induction fixe
Moment
quadrupolaire
(10-28 m2)
99.98
42.577
100
0.015
6.536
15.35
9.64×10-3
1.108
10.705
25.14
1.59×10-2
100
40.055
94.08
100
17.235
40.48
6.64×10-2
0
0.37
-4.315
10.13
1.04×10-3
0
3.076
7.22
1.01×10-3
99.63
1.000
0
0.00273
0
0.834
0
0.02000

80. Quantification du spin nucléaire
Niveaux d’énergie

81. ppm
Spectre RMN des protons de l’éthanol en phase liquide mesuré à 200MHz.
Le signal le plus à droite est celui d’une substance de référence communément utilisée
– le TétraMéthylSilane. La formule relie la fréquence de résonance de chaque type de
proton, ν0i, à son coefficient d’écran. Le tracé en escalier représente l’aire des différents
signaux.

82. Le déplacement chimique
Exemple du spectre protonique du mélange benzène/acétone/TMS
σ : constante d’écran ou de déblindage (10-3 à 10-6)
→ Détection de trois signaux distincts correspondant aux protons des trois constituants du mélange.
Condition de résonance :
νres=γBnoyau/2π=γBapp(1-σ)/2π
γ : rapport gyromagnétique (fonction du type de noyau)
→ La mesure de la fréquence de résonance donne des renseignements sur l’environnement électronique
du noyau observé.

83. Les spectromètres sont conçus pour balayer les fréquences de droite à gauche (ou le champ de
gauche à droite). Les noyaux de σ élevé (noyaux blindés) apparaissent à champ fort (à droite
sur les enregistrements) et ceux de σ petit apparaissent à champ faible (à gauche).
Les noyaux d’une même molécule ayant même σ sont dits isochrones ou équivalents.

88. RMN C13: CH3CO2CH2CH3

89. Les couplages J homonucléaires proton-proton

90. On parle de couplage géminal pour deux protons portés par un même carbone :
ils varient de: –12 à –20Hz pour un carbone sp3 et de 0 à 3.5Hz pour un carbone sp2.
Les couplages vicinaux font intervenir deux carbones distincts.
Quelques valeurs typiques sont indiquées sur la figure suivante :

91. Une double ou une triple liaison favorise le couplage indirect qui peut devenir
observable au- delà de trois liaisons :
Les couplages dans les cycles saturés ont également des valeurs typiques :

92. Les multiplets
système AXn (spins ½):
n
1
Intensités relatives
(spectre de A)
11
Multiplet
doublet
2
121
triplet
3
1331
quadruplet
4
14641
quintuplet
5
1 5 10 10 5 1
sextuplet
6
1 6 15 20 15 6 1
septuplet

93. Spectrum of Radiation

94. II. Ultra Violet Spectrometry
L’absorption de la radiation ultraviolet par les
molécules depend de leur structure electronique.
Le spectre ultraviolet est appelé spectre
electronique.

95. Electronic Excitation
L’absorption de faible énergie des composés
organiques dans le visible et l’ultraviolet concerne les
electrons , , n-orbitals.

96. Electronic Molecular Energy Levels
L’énergie de transition faible ( *) concerne
des ondes courtes parcontre l’énergie de transition
forte (*, n *) concerne des ondes longues.

97. Chromophore is a functional group which absorbs a
characteristic ultraviolet or visible region.
210 nm
233 nm
268 nm
315 nm


 and * orbitals
Double liaison
Diene conjuguée
Triene conjuguée
Tetraene conjuguée


 and * orbitals

98. III. Infrared Spectrometry
Dans la zone Infrarouge l’energie de la radiation
est absorbée par des composés organiques et
convertie en énergie de vibration moléculaire.
Le motif d'absorption d'énergie ainsi obtenue est
communément appelé un spectre infrarouge qui
présente le tracé de l'intensité de l'absorption de
rayonnement par rapport à longueur d'onde
d'absorption.

99. Some Molecular Vibrations

100. Infrared Spectrum

101. Bond
Base Value
Strength / Shape
Comments
1
C=O
1715
s, "finger"
Exact position depends on type
of carbonyl
2
O-H
3600
s, brd
Broad due to H bonding
3
N-H
3500
m
Can tell primary from
secondary
4
C-O
1100
s
Also check for OH and C=O
5
C=C
1650
w alkene
m-s aromatic
Alkene w due to low polarity
Aromatic usually in pairs
6
CC
2150
w, sharp
Most obvious in terminal
alkynes
7
C-H
3000
s
As hybridisation of C changes
sp3-sp2-sp, the frequency
increases
8
CN
2250
m, sharp
Characteristic since little else
around it