I Webster Identiﬁ cation Bryce spectrométrique I de composés … · 2017. 5. 9. · Vollhardt I Schore 6e édition Chez le même éditeur ... été ajoutées au chapitre 2 qui

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Une référence internationalePublié pour la première fois il y a 40 ans, en anglais, et aujourd’hui référence internationale, cet ouvrage est une excellente introduction aux méthodes spec-troscopiques : infrarouge, spectrométrie de masse et résonance magnétique nucléaire.

L’ouvrage présente une approche unifi ée de la déter-mination de la structure des composés organiques reposant essentiellement sur la spectrométrie de masse (SM), la spectroscopie infrarouge (IR) et la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) multinu-cléaire et multinoyaux.

Enrichissement de la 3e édition françaiseRédigée dans un style accessible aux étudiants, cette nou-velle édition a été actualisée pour refl éter les usages et les méthodes modernes. Elle a également été enrichie d’informations sur les polymères et les groupes fonction-nels phosphorés. Après une étude systématique des dif-férentes spectroscopies, ce livre montre comment les combiner pour déterminer la structure complète d’une molécule. Un chapitre entier est consacré à des exer-cices. Ce volume est complété par de nombreux tableaux de référence pour chaque technique.

Une méthode fondée sur la pratique et les exercicesL’ouvrage aborde avec méthode les aspects pratiques indispensables au choix de la technique la plus adaptée à la résolution de problèmes concrets :

ules derniers développements en spectrométrie de masse et l’étude systématique des différentes classes de composés ;

ules facteurs expérimentaux en spectrométrie infra-rouge et l’étude systématique des différentes classes de composés ;

ula RMN du proton ;

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Enfi n, il offre aux étudiants un recueil d’exercices corrigés et abondamment discutés, de diffi culté croissante.

Traduction de la 8e édition américaineVincent Lafond est Docteur en chimie des matériaux et est traducteur professionnel pour S-Trad.fr

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ATKINS P.W., DE PAULA J., Chimie physique. 4e édition

BIÉMONT E. Spectroscopie atomique. Instrumentation et structures atomiques

BIÉMONT E., Spectroscopie moléculaire. Structures moléculaires et analyse spectrale

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CLAYDEN J., GREEVES N., WARREN S., Chimie organique. 2e édition

HOUSECROFT C.E., SHARPE A.G., Chimie inorganique

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RABASSO N., Chimie organique. 1. Généralités, études des grandes fonctions et méthodes spectroscopiques. 2e édition

RABASSO N., Chimie organique. 2. Hétéroéléments, stratégies de synthèse et chimie organométallique. 2e édition

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3e édition

Traduction de la 8e édition américaine de Vincent Lafond

Ouvrage originalSilverstein, Robert M. (Robert Milton), 1916-2007. Spectrometric identification of organic compounds / Robert M. Silverstein, Francis X. Webster, David J. Kiemle, State University of New York, College of Environmental Science & Forestry ; David L. Bryce, University of Ottawa. – Eighth edition. Copyright © 2015, 2005, 1998, 1991 John Wiley & Sons, Inc. All rights reserved. This translation published under license.

Pour toute information sur notre fonds et les nouveautés dans votre domaine de spécialisation, consultez notre site web: www.deboecksuperieur.com

© De Boeck Supérieur s.a., 2016 3e édition 2016 Rue du Bosquet, 7, B-1348 Louvain-la-Neuve Pour la traduction et l’adaptation française

Tous droits réservés pour tous pays. Il est interdit, sauf accord préalable et écrit de l’éditeur, de reproduire (notamment par photocopie) partiellement

ou totalement le présent ouvrage, de le stocker dans une banque de données ou de le communiquer au public, sous quelque forme et de quelque manière que ce soit.

Imprimé en Belgique

Dépôt légal : Bibliothèque nationale, Paris : mai 2016 Bibliothèque royale de Belgique, Bruxelles : 2016/13647/121 ISBN : 978-2-8073-0293-8

AVANT-PROPOS À LA HUITIÈME ÉDITION

Le présent manuel de résolution de problèmes, connu comme « le Silverstein » par de nombreux lecteurs de sa génération, s’est avéré être une ressource à la fois populaire et très utile pour les étudiants et les enseignants durant les cinquante der-nières années. L’ouvrage présente une approche unifiée de la détermination de la structure des composés organiques repo-sant essentiellement sur la spectrométrie de masse (SM), la spectroscopie infrarouge (IR) et la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) multinucléaire et multinoyaux. Nous avons un grand plaisir à présenter cette nouvelle et hui-tième édition révisée. Les points forts qui ont fait la renommée des éditions précédentes sont bien identifiés et ont été préservés et actualisés. Ces points forts sont une approche pragmatique de la résolution des problèmes et une masse de données de spectrométrie de masse et RMN sous forme de tableaux. Nous détaillons rapidement ci-dessous quelques-unes des princi-pales révisions de cette édition.

Dans tout le texte, la terminologie a été actualisée dans un souci de cohérence et pour mieux refléter les usages modernes. Nous avons remplacé dans tout le texte les anciennes termi-nologies « spectrométrie » et « spectrométrique » en référence à l’IR et à la RMN par celles plus largement employées de « spectroscopie » et « spectroscopique », même si nous sommes bien conscients qu’il existe des arguments valables pour conserver les anciens termes. Le titre original de l’ouvrage, familier, a néanmoins été conservé. De nouvelles informations sur les polymères et les groupes fonctionnels phosphorés ont été ajoutées au chapitre 2 qui concerne la spectroscopie IR. Le chapitre 3 sur la spectroscopie de RMN du proton a été repris, certaines sections ayant été totalement révisées. Les dernières techniques relatives aux méthodes d’amélioration du signal RMN ont été mises en avant. Nous avons tenté de préserver un équilibre approprié entre la théorie et la pratique. Les concepts d’équivalence chimique et magnétique, fonda-mentaux pour la compréhension de nombreux spectres RMN, sont expliqués de façon plus claire. Les chapitres 4 et 5 sur la RMN du 13C et la RMN bidimensionnelle ont été clarifiés et certaines sections ont été révisées, afin de mieux appréhender

le fonctionnement réel des expériences. Les rôles importants des gradients et des méthodes avancées d’acquisition des don-nées en RMN moderne sont également brièvement expliqués au chapitre 5. Le chapitre 6, qui traite de la résonance magné-tique multinucléaire, apporte des informations sur d’autres isotopes qui intéressent le chimiste, et plusieurs tableaux sup-plémentaires de déplacements chimiques et de constantes de couplage. Nous espérons que, lorsque ces noyaux seront pré-sents dans les molécules étudiées, ce chapitre encouragera le lecteur à étendre son étude au-delà des isotopes 1H et 13C. Les chapitres 7 et 8, qui proposent des problèmes résolus et choisis, ont été révisés mais le cœur des problèmes a été préservé par rapport à l’édition précédente. Des réviseurs ont consciencieu-sement évalué les problèmes de ces deux chapitres à l’intention des étudiants.

Nous aimerions remercier le personnel de Wiley, en parti-culier Jennifer Yee, Ellen Keohane et Mary O’Sullivan, pour leur dur labeur et leur dévouement à ce projet. Nous souhaitons également témoigner notre reconnaissance aux réviseurs pour leurs suggestions qui ont grandement amélioré le manuscrit :

Scott Burt, Brigham Young University, Provo, Utah

Charles Garner, Baylor University, Waco, Texas

Kevin Gwaltney, Kennesaw State University, Kennesaw, Georgia

Vera Kolb, University of Wisconsin-Parkside

James Nowick, University of California, Irvine

Michael Wentzel, Augsburg College, Minneapolis, Minnesota

David L. Bryce, Ottawa, OntarioFrancis X. Webster, Syracuse, New York

David J. Kiemle, Syracuse, New York

AVANT-PROPOS À LA 1re ÉDITION AMÉRICAINE

Durant ces dernières années, nous avons été amenés à isoler de petites quantités de composés organiques à partir de mélanges et à les identifier par spectrométrie. Suivant la suggestion du Dr. A. J. Castro du San Jose State College, nous avons déve-loppé une unité de cours intitulée « Spectrometric Identification of Organic Compounds », et nous l’avons présentée à des étu-diants universitaires et à des chimistes de l’industrie durant l’été 1962. Ce livre a évolué de manière importante à partir de ce qui a été rassemblé pour le cours et il porte le même nom. Nous devons tout d’abord remercier le soutien financier provenant de deux sources : The Perkin Elmer Corporation et The Stanford Research Institute. Une grande reconnais-sance va à nos collègues du Stanford Research Institute. Nous avons bénéficié de la générosité de trop de personnes pour les reprendre individuellement, mais nous nous devons de remercier le Dr. S. A. Fuqua, en particulier, pour un grand nombre de discussions très utiles sur la spectrométrie RMN. Nous souhaitons remercier également la coopération au niveau de la direction, le Dr. C. M. Himel, Président du département

de recherche organique, et le Dr. D. M. Coulson, Président du département de recherche analytique. Varian Associates a apporté son temps et les talents de son laboratoire d’appli-cations RMN. Nous sommes redevables à Mr. N. S. Bhacca, Mr. L. F. Johnson et le Dr. J. N. Shoolery pour les spectres RMN et pour leur aide généreuse pour des points d’interpréta-tion. L’invitation à enseigner au San Jose State College fut pro-longée par le Dr. Bert M. Morris, Directeur du Département de Chimie, qui a aimablement arrangé les détails administratifs. Le brouillon du manuscrit fut relu par le Dr. R. H. Eastman de la Stanford University dont les commentaires furent très utiles et grandement appréciés. Pour terminer, nous voulons remercier nos femmes. Comme test de la patience féminine, il y a peu de choses qui soient comparables à un auteur dans les affres de la composition. Nos épouses n’ont pas seulement enduré, elles nous ont également encouragé, assisté et inspiré.

R. M. Silverstein Menlo Park, CalifornieG. C. Bassler Avril 1963

TABLE DES MATIÈRES

Chapitre 1 SPECTROMÉTRIE DE MASSE 1

1.1 Introduction 1

1.2 Instrumentation 2

1.3 Techniques d’ionisation 3 1.3.1 Techniques d’ionisation en phase gazeuse 3 1.3.1.1 Ionisation par impact électronique 3 1.3.1.2 Ionisation chimique 3 1.3.2 Techniques d’ionisation par désorption 4 1.3.2.1 Ionisation par désorption de champ 4 1.3.2.2 Ionisation par bombardement d’atomes rapides 4 1.3.2.3 Désorption-ionisation par plasma 5 1.3.2.4 Désorbtion-ionisation laser 6 1.3.3 Techniques d’ionisation par évaporation 6 1.3.3.1 Spectrométrie de masse thermospray 6 1.3.3.2 Spectrométrie de masse par électrospray 6

1.4 Analyseurs de masse 8 1.4.1 Spectromètres de masse à secteur magnétique 8 1.4.2 Spectromètres de masse quadripolaires 9 1.4.3 Spectromètre de masse à piège ionique 10 1.4.4 Spectromètres de masse à temps de vol 11 1.4.5 Spectromètre de masse à transformée de Fourier 12 1.4.6 Spectrométrie de masse tandem 12

1.5 Interprétation des spectres de masse IE 12 1.5.1 Identification du pic de l’ion moléculaire 13 1.5.2 Détermination d’une formule moléculaire 14 1.5.2.1 Ion moléculaire de masse entière et pics isotopiques 14 1.5.2.2 Ion moléculaire à haute résolution 15 1.5.3 Utilisation de la formule moléculaire. Indice de

déficience en hydrogène 15 1.5.4 Fragmentation 16 1.5.5 Réarrangements 18

1.6 Spectres de masse de quelques classes chimiques 18

1.6.1 Hydrocarbures 18 1.6.1.1 Hydrocarbures saturés 18 1.6.1.2 Alcènes (Oléfines) 19 1.6.1.3 Hydrocarbures aromatiques et aralkyles 21 1.6.2 Composés hydroxylés 22 1.6.2.1 Alcools 22 1.6.2.2 Phénols 24 1.6.3 Éthers 24 1.6.3.1 Éthers (et acétals) aliphatiques 24 1.6.3.2 Éthers aromatiques 25 1.6.4 Cétones 25 1.6.4.1 Cétones aliphatiques 25

1.6.4.2 Cétones cycliques 26 1.6.4.3 Cétones aromatiques 26 1.6.5 Aldéhydes 27 1.6.5.1 Aldéhydes aliphatiques 27 1.6.5.2 Aldéhydes aromatiques 27 1.6.6 Acides carboxyliques 27 1.6.6.1 Acides aliphatiques 27 1.6.6.2 Acides aromatiques 28 1.6.7 Esters carboxyliques 29 1.6.7.1 Esters aliphatiques 29 1.6.7.2 Esters benzyliques et phényliques 30 1.6.7.3 Esters d’acides aromatiques 30 1.6.8 Lactones 31 1.6.9 Amines 31 1.6.9.1 Amines aliphatiques 31 1.6.9.2 Amines cycliques 32 1.6.9.3 Amines aromatiques (anilines) 32 1.6.10 Amides 32 1.6.10.1 Amides aliphatiques 32 1.6.10.2 Amides aromatiques 32 1.6.11 Nitriles aliphatiques 32 1.6.12 Composés nitrés 33 1.6.12.1 Composés nitrés aliphatiques 33 1.6.12.2 Composés nitrés aromatiques 33 1.6.13 Nitrites aliphatiques 33 1.6.14 Nitrates aliphatiques 33 1.6.15 Composés soufrés 33 1.6.15.1 Mercaptans aliphatiques (thiols) 33 1.6.15.2 Sulfures aliphatiques 34 1.6.15.3 Disulfures aliphatiques 35 1.6.16 Composés halogénés 35 1.6.16.1 Aliphatiques chlorés 36 1.6.16.2 Aliphatiques bromés 36 1.6.16.3 Aliphatiques iodés 36 1.6.16.4 Aliphatiques fluorés 36 1.6.16.5 Benzyles halogénés 37 1.6.16.6 Halogénures aromatiques 37 1.6.17 Composés hétéroaromatiques 37

Références 37

Exercices 37

Annexes 46a Masses formulaires (M) pour diverses combinaisons

de carbone, hydrogène, azote et oxygène 46B Fragments ioniques courants 67C Fragments couramment perdus 69

viii TABLE DES MATIÈRES

Chapitre 2 SPECTROSCOPIE INFRAROUGE 71

2.1 Introduction 71

2.2 Théorie 71 2.2.1 Interactions couplées 74 2.2.2 Liaison hydrogène 75

2.3 Instrumentation 76 2.3.1 IR à dispersion 76 2.3.2 Spectromètre infrarouge à transformée de Fourier

(interféromètre) 77

2.4 Manipulationde l’échantillon 77

2.5 Interprétation des spectres 79

2.6 Absorptions caractéristiques des groupes dans les molécules organiques 80

2.6.1 Alcanes normaux (paraffines) 80 2.6.1.1 Vibrations d’élongation C—H 80 2.6.1.2 Vibrations de déformation C—H 82 2.6.2 Alcanes ramifiés 83 2.6.2.1 Vibrations d’élongation C—H : Groupes C—H

tertiaires 83 2.6.2.2 Vibrations de déformation C—H : groupes

gem-diméthylés 83 2.6.3 Alcanes cycliques 83 2.6.3.1 Vibrations d’élongation C—H 83 2.6.3.2 Vibrations de déformation C—H 83 2.6.4 Alcènes 83 2.6.4.1 Vibrations d’élongation CuC Alcènes linéaires

non-conjugués 83 2.6.4.2 Vibrations d’élongation C—H dans les alcènes 84 2.6.4.3 Vibrations de déformation C—H dans les alcènes 85 2.6.5 Alcynes 85 2.6.5.1 Vibrations d’élongation CIC 85 2.6.5.2 Vibrations d’élongation C—H 85 2.6.5.3 Vibrations de déformation C—H 85 2.6.6 Hydrocarbures aromatiques monocycliques 85 2.6.6.1 Vibrations de déformation C—H hors du plan 86 2.6.7 Hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) 86 2.6.8 Polymères 87 2.6.9 Alcools et phénols 89 2.6.9.1 Vibrations d’élongation O—H 89 2.6.9.2 Vibrations d’élongation C—O 90 2.6.9.3 Vibrations de déformation O—H 90 2.6.10 Éthers, époxydes et peroxydes 92 2.6.10.1 Vibrations d’élongation C—O 92 2.6.11 Cétones 93 2.6.11.1 Vibrations d’élongation CuO 93 2.6.11.2 Vibrations d’élongation et de déformation du groupe

C—C(uO)—C 95 2.6.12 Aldéhydes 95 2.6.12.1 Vibrations d’élongation CuO 95 2.6.12.2 Vibrations d’élongation C—H 95 2.6.13 Acides carboxyliques 96 2.6.13.1 Vibrations d’élongation O—H 96 2.6.13.2 Vibrations d’élongation CuO 96

2.6.13.3 Vibrations d’élongation C—O et de déformation

O—H 97 2.6.14 Anion carboxylate 97 2.6.15 Esters et lactones 97 2.6.15.1 Vibrations d’élongation CuO 97 2.6.15.2 Vibrations d’élongation C—O 98 2.6.16 Halogénures d’acide 99 2.6.16.1 Vibrations d’élongation CuO 99 2.6.17 Anhydrides d’acides carboxyliques 99 2.6.17.1 Vibrations d’élongation CuO 99 2.6.17.2 Vibrations d’élongation C—O 99 2.6.18 Amides et lactames 99 2.6.18.1 Vibrations d’élongation N—H 100 2.6.18.2 Vibrations d’élongation CuO (bande I des

amides) 100 2.6.18.3 Vibrations de déformation N-H (bande II des

amides) 101 2.6.18.4 Autres bandes de vibration 101 2.6.18.5 Vibrations d’élongation CuO des lactames 101 2.6.19 Amines 101 2.6.19.1 Vibrations d’élongation N—H 102 2.6.19.2 Vibrations de déformation N—H 102 2.6.19.3 Vibrations d’élongation C—N 102 2.6.20 Sels d’amine 102 2.6.20.1 Vibrations d’élongation N—H 102 2.6.20.2 Vibrations de déformation N—H 102 2.6.21 Les acides aminés et leurs sels 102 2.6.22 Nitriles 103 2.6.23 Isonitriles (R—NIC), 104 Cyanates (R—O—CIN), 104 isocyanates (R—NuCuO), 104 thiocyanates (R—S—CIN), et Isothiocyanates (r—NuCuS) 104 2.6.24 Composés contenant un groupe a—NuN 104 2.6.25 Composés covalents contenant des liaisons azote

– oxygène 104 2.6.25.1 Vibrations d’élongation N—O. 104 2.6.26 Composés organiques soufrés 105 2.6.26.1 Vibrations d’élongation S—H 105 2.6.26.2 Vibrations d’élongation C—S et CuS 105 2.6.27 Composés contenant des liaisons

soufre-oxygène 106 2.6.27.1 Vibrations d’élongation SuO 106 2.6.28 Composés organiques halogénés 107 2.6.29 Composés du silicium 107 2.6.29.1 Vibrations Si—H 107 2.6.29.2 Vibrations SiO—H et Si—O 107 2.6.29.3 Vibrations d’élongation silicium-halogène 108 2.6.30 Composés du phosphore 108 2.6.30.1 Vibrations d’élongation P—H, P—C, P—O, et

PuO 108 2.6.31 Composés hétéroaromatiques 109 2.6.31.1 Vibrations d’élongation C—H 109 2.6.31.2 Fréquences d’élongation N—H 109 2.6.31.3 Vibrations d’élongation de cycle (bandes

du squelette) 109 2.6.31.4 Déformation C—H hors du plan 109

TABLE DES MATIÈRES ix

Références 110

Exercices 110

Annexes 120a Domaine de transparence des solvants et huiles pour

pâte 120B Absorption des groupes caractéristiques 121C Absorptions pour les alcènes 126D Absorptions pour les composés phosphorés 127e Absorption pour les hétéroaromatiques 127

Chapitre 3 SPECTROSCOPIE DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE DU PROTON (RMN1H) 128

3.1 Introduction 128

3.2 Théorie 128 3.2.1 Propriétés magnétiques des noyaux 128 3.2.2 Excitation de noyaux de spin 1

2 129

3.2.3 Relaxation 130

3.3 Instrumentation et manipulation de l’échantillon 131

3.3.1 Instrumentation 131 3.3.2 Sensibilité des expériences RMN 133 3.3.3 Choix du solvant et manipulation

de l’échantillon 133

3.4 Déplacement chimique 134

3.5 Couplage spin-spin, multiplets, et systèmes de spins 140

3.5.1 Multiplets du Premier Ordre Simples et Complexes 140

3.5.2 Systèmes de spins du premier ordre 143 3.5.3 Notation de Pople 144 3.5.4 Autres exemples de systèmes de spins du premier

ordre simple 144 3.5.5 Analyse des multiplets du premier ordre 145

3.6 Protons sur des atomes d’oxygène, d’azote etdesoufre :protonslabiles 147

3.6.1 Protons sur un atome d’oxygène 147 3.6.1.1 Alcools 147 3.6.1.2 Eau 149 3.6.1.3 Phénols 149 3.6.1.4 Énols 150 3.6.1.5 Acides Carboxyliques 150 3.6.2 Protons sur l’azote 150 3.6.3 Protons sur le soufre 151 3.6.4 Protons sur ou voisins de noyaux chlore, brome

ou iode 152

3.7 Couplage des protons à d’autres noyaux importants (19F, D (2H), 31P, 29Si et 13C) 152 3.7.1 Couplage des protons à 19F 152 3.7.2 Couplage des protons à D (2H) 152 3.7.3 Couplage des protons à 31P 153 3.7.4 Couplage des protons à 29Si 153 3.7.5 Couplage des protons à 13C 153

3.8 Équivalence chimique 153 3.8.1 Détermination de l’équivalence chimique par

échange via des opérations de symétrie 154 3.8.2 Détermination de l’équivalence chimique par mar-

quage (ou substitution) 154 3.8.3 Équivalence de déplacement chimique par inter-

conversion rapide de structures 155 3.8.3.1 Interconversion céto-énolique 155 3.8.3.2 Interconversion autour d’une double liaison partielle

(rotation restreinte) 155 3.8.3.3 Interconversion autour des liaisons simples

des cycles 155 3.8.3.4 Interconversion autour des liaisons simples

des chaînes 156

3.9 Équivalence magnétique 157

3.10 Systèmes rigides AMX, ABX et ABC avec trois constantesde couplage 158

3.11 Systèmesfaiblementetfortementcouplés :couplage virtuel 160

3.11.1 Systèmes faiblement couplés 160 3.11.1.1 1-Nitropropane 160 3.11.2 Systèmes fortement couplés 160 3.11.2.1 Hexan-1-ol 160 3.11.2.2 Acide 3-méthylglutarique 161

3.12 Chiralité 162

3.13 Valeursdesconstantesde couplagevicinal et géminal 164

3.14 Couplage à longue distance 165

3.15 Découplagesélectifdespin :doublerésonance 165

3.16 Effetoverhausernucléaire 166

3.17 Conclusion 167

Références 168

Exercices 168

Annexes 179a Diagramme A.1 Déplacements chimiques des protons portés

par un atome de carbone adjacent (position α) à un groupe fonctionnel dans des composés aliphatiques (M—Y) 179

Diagramme A.2 Déplacements chimiques des protons portés par un atome de carbone en position β par rapport à un groupe fonctionnel dans des composés aliphatiques (M—C—Y) 181

B Effet sur le déplacement chimique de deux ou trois groupes fonctionnels directement liés 182

C Déplacements chimiques dans les composés alicycliques et hétérocycliques 184

D Déplacements chimiques dans les systèmes insaturés et aromatiques 185

Déplacements chimiques des protons sur des cycles aromatiques monosubstitués 187

e Protons susceptibles de former des liaisons hydrogène (protons sur des hétéroatomes) 188

x TABLE DES MATIÈRES

F Constantes de couplage de spin en proton 189G Déplacements chimiques et multiplicités des protons

résiduels dans les solvants deutérés commerciaux (Merck & Co., Inc.) 191

h Déplacements chimiques des solvants de laboratoire courants à l’état de trace 192

i Déplacements chimiques rmn proton des acides aminés dans D

2O 194

Chapitre4 SPECTROSCOPIE DE RMN DU CARBONE 13 195


4.2 Théorie 195 4.2.1 Techniques de découplage du 1H 195 4.2.2 Gamme et échelle de déplacement chimique 196 4.2.3 Relaxation T

1 197

4.2.4 Effet Overhauser Nucléaire (NOE) 199 4.2.5 Couplage spin-spin 13C—1H (couplage J) 200 4.2.6 Sensibilité 200 4.2.7 Solvant 201

4.3 Interprétation d’un spectre RMN 13Csimple :le diéthylphtalate 202

4.4 Analyse 13C quantitative 204

4.5 Équivalence chimique 204

4.6 DEPT 206

4.7 Classeschimiqueset déplacementschimiques 208 4.7.1 Alcanes 208 4.7.1.1 Alcanes linéaires et ramifiés 208 4.7.1.2 Effet des substituants sur les alcanes 209 4.7.1.3 Cycloalcanes et hétérocycles saturés. 210 4.7.2 Alcènes 211 4.7.3 Alcynes 212 4.7.4 Composés aromatiques 212 4.7.5 Composés hétéroaromatiques 213 4.7.6 Alcools 213 4.7.7 Éthers, acétals et époxydes 214 4.7.8 Halogénures 216 4.7.9 Amines 216 4.7.10 Thiols, sulfures et disulfures 217 4.7.11 Groupes fonctionnels contenant du carbone 217 4.7.11.1 Cétones et aldéhydes 217 4.7.11.2 Acides carboxyliques, esters, chlorures d’acide,

anhydrides, amides et nitriles 218 4.7.11.3 Oximes 218

Références 220

Exercices 220

Annexes a Déplacements chimiques 13C, couplages et multiplicités des

solvants RMN courants 231B Déplacements chimiques 13C des solvants de laboratoire

courants à l’état de trace 232

C Carte de corrélation 13C pour les classes chimiques 233D Données RMN 13C pour quelques substances

naturelles (δ) 235

Chapitre5 SPECTROSCOPIE DE RMN BIDIMENSIONNELLE 236


5.2 Théorie 237

5.3 Spectroscopie de corrélation 240 5.3.1 Corrélation 1H—1H : COSY 241

5.4 IPSÉNOL :COSY1H—1H 242 5.4.1 Ipsénol : COSY 1H—1H avec filtrage

à double quanta 242 5.4.2 COSY 13C—1H avec détection du carbone :

HETCOR 245 5.4.3 COSY 1H—13C avec détection du proton :

HMQC 245 5.4.4 Ipsénol : HETCOR et HMQC 246 5.4.5 Ipsénol : Corrélation hétéro-nucléaire 1H—13C

à longue distance avec détection du proton : HMBC 246

5.5 Oxyde de caryophyllène 248 5.5.1 Oxyde de caryophyllène : DQF-COSY 248 5.5.2 Oxyde de caryophyllène : HMQC 251 5.5.3 Oxyde de caryophyllène : HMBC 254

5.6 Corrélation 13C—13C :inadequate 254 5.6.1 INADEQUATE : Oxyde de caryophyllène 256

5.7 Lactose 258 5.7.1 DQF-COSY : Lactose 258 5.7.2 HMQC : Lactose 258 5.7.3 HMBC : Lactose 258

5.8 Transfertdecohérenceparrelais :TOCSY 263 5.8.1 TOCSY 2D : Lactose 263 5.8.2 TOCSY 1D : Lactose 263

5.9 HMQC-TOCSY 264 5.9.1 HMQC-TOCSY : Lactose 264

5.10 ROESY 266 5.10.1 ROESY : Lactose 266

5.11 VGSE 266 5.11.1 COSY : VGSE 270 5.11.2 TOCSY : VGSE 270 5.11.3 HMQC : VGSE 270 5.11.4 HMBC : VGSE 272 5.11.5 ROESY : VGSE 272

5.12 RMN à gradient de champ pulsé 274

Références 275

Exercices 275

TABLE DES MATIÈRES xi

Chapitre6 SPECTROSCOPIE DE RÉSONANCE MAGNÉTIQUE NUCLÉAIRE MULTINOYAUX 305

6.1 Introductionet considérationsgénérales 305

6.2 Résonance magnétique nucléaire du 15N 307

6.3 Résonance magnétique nucléaire du 19F 311

6.4 Résonance magnétique nucléaire du 29Si 316

6.5 Résonance magnétique nucléaire du 31P 317

6.6 Conclusions 320

Références 323

Exercices 323

Annexe 328a Propriétés des noyaux magnétiquement actifs 328

Chapitre7 EXERCICES RÉSOLUS 331


Exercice7.1 discussion 335






EXERCICES 363

Chapitre8 CAS RÉELS 370


INDEX 459

Chapitre 1SPECTROMÉTRIE DE MASSE

1.1 IntroductIon

Le concept de spectrométrie de masse est relativement simple : un composé est ionisé (technique d’ionisation), les ions sont séparés selon leur rapport masse/charge (technique de sépa-ration d’ions) et le nombre d’ions de chaque « unité » masse/charge est enregistré sous la forme d’un spectre. Il existe de nombreuses techniques d’ionisation et de nombreuses tech-niques de séparation des ions formés (voir la section 1.2). Par exemple, avec le mode couramment employé de l’impact élec-tronique (IE), le spectromètre de masse bombarde les molé-cules en phase vapeur avec un faisceau d’électrons de haute énergie et enregistre le résultat sous forme d’un spectre d’ions positifs ayant été séparés selon leur rapport masse/charge (m/z).*

Le spectre en impact électronique de la benzamide est donné pour illustration à la figure 1.1. L’abondance (intensité des pics verticaux) est portée en fonction de m/z. Le pic de l’ion positif à m/z 121 représente la molécule intacte (M) à laquelle un électron a été arraché lors de l’impact du faisceau d’élec-

* L’unité de masse est le Dalton (Da), défini comme 1/12 de la masse d’un atome de l’isotope 12C, qui est fixée arbitrairement à 12,0000… unités de masse.

trons ; on le nomme ion moléculaire, M•+. L’ion moléculaire chargé en énergie produit une série d’ions fragments. L’origine de certains d’entre eux est expliquée sur la figure 1.1.

Il est courant de coupler un spectromètre de masse à un appareil de chromatographie, comme un chromatographe en phase gazeuse (CPG-SM) ou en phase liquide (CL-SM). Le spectromètre de masse trouve des applications allant de l’ana-lyse de composés dont le spectre de masse est connu à l’analyse de substances totalement inconnues. Dans le cas de composés connus, une recherche informatique compare le spectre de masse du composé étudié avec une bibliothèque de spectres. La spectrométrie de masse par impact électronique est par-ticulièrement utile de ce point de vue car elle conduit à une fragmentation très importante. La correspondance de spectres de masse est un argument convaincant de l’identification, sou-vent même juridiquement reconnu. Dans le cas d’un composé inconnu, l’ion moléculaire, le schéma de fragmentation et des indices provenant d’autres formes de spectrométrie (IR, RMN) peuvent conduire à l’identification d’un composé nouveau. L’acquisition d’un savoir-faire dans cette dernière application

12011010090807060504030200

50

100

18 2844

51

77105

121

% d

u pi

c de

bas

e

m/z

C+

O

-CO

O NH2

-C6H

5

- NH 2

m/z 44

m/z 105 m/z 77

O NH2 O NH2

- 2e-+ e-

M m/z 121

BenzamideC7H7NOM : 121

M+

FIgure 1.1 Spectre de masse IE de la benzamide avec schéma de fragmentation expliquant les ions importants.

2 Chapitre 1 SpeCtrOMÉtrie De MaSSe

fait l’objet et l’objectif de ce chapitre ; nous nous appuierons en particulier sur la technique d’IE. Pour d’autres applications ou pour plus de détails, des ouvrages sur la spectrométrie de masse et des compilations de spectres sont accessibles en ligne à l’adresse www.wiley.com/college/silverstein.

1.2 InstrumentatIon

Comme pour toutes les techniques analytiques modernes, l’instrumentation utilisée en spectrométrie de masse a connu des avancées récentes et rapides. Plutôt que de discuter chaque modèle d’instrument, la discussion portera sur (1) les méthodes d’ionisation et (2) les méthodes de séparation des ions. Généralement, la méthode d’ionisation est indépendante de la méthode de séparation des ions et vice versa, bien qu’il y ait des exceptions. Certaines méthodes d’ionisation reposent sur une introduction en sortie de ligne chromatographique (CL-SM), alors que d’autres (FAB et MALDI) ne permettent pas l’usage de la chromatographie pour l’introduction de l’échantillon. Avant d’aller plus loin sur l’instrumentation, une distinction, fondée sur la résolution, doit être faite entre deux types de spectromètres de masse.

Le minimum requis pour le chimiste organicien est la possi-bilité de connaître la masse moléculaire du composé étudié à la valeur entière la plus proche. Donc le spectre doit présenter un pic à, disons, m/z 400, qui doit être distinct d’un pic à m/z 399 ou 401. Afin de pouvoir sélectionner des formules moléculaires possibles à travers la mesure des rapports isotopiques (voir la section 1.5.2.1), les pics adjacents doivent être proprement séparés. Arbitrairement, la vallée entre deux pics consécutifs ne doit pas excéder 10 % de la hauteur du pic le plus grand. Ce degré de résolution est appelé résolution « unitaire » et peut être atteint jusqu’à des masses d’approximativement 3000 Da sur des instruments commerciaux dits « à résolution unitaire ».

h

HhH 100 ≤ 10%

Mm Mn

( (

Pour déterminer la résolution* d’un instrument, on considère deux pics adjacents d’intensités à peu près égales. Ces pics devraient être choisis de telle sorte que la hauteur de la vallée entre eux, soit inférieure à 10 % de l’intensité des pics. La réso-lution (R) est R = M

n/(M

n – M

m), où M

n est le nombre de masse

le plus élevé des deux pics adjacents, et Mm est celui le plus bas.

Il existe deux catégories importantes de spectromètres de masse : ceux à basse résolution (unitaire) et ceux à haute réso-lution. Les instruments à basse résolution peuvent être définis arbitrairement comme des instruments qui séparent des masses entières jusqu’à m/z = 3000 [R = 3000/(3000 – 2999) = 3000]. Un instrument à haute résolution (p. ex., R = 20 000) permet de faire la distinction entre C

16H

26O

2 et C

15H

24NO

2 [R = 250,1933/

(250,1933 – 250,1807) = 19 857]. Cette classe importante de spectromètres de masse, pour lesquels R peut atteindre 100 000, peut mesurer la masse d’un ion avec suffisamment de précision pour déterminer sa composition atomique (for-mule moléculaire). Pour des raisons pratiques, l’expression spectrométrie de masse à haute résolution sera utilisée pour désigner la mesure précise d’une masse. Le nombre de déci-males nécessaires permettant de déterminer sans ambiguïté la composition élémentaire dépend de la masse de l’ion. Une précision de 0,0025 Da, par exemple, devrait suffire pour les ions dont la masse ne dépasse pas 500 Da.

Tous les spectromètres de masse partagent certaines caracté-ristiques (voir la figure 1.2). L’introduction de l’échantillon dans le spectromètre de masse est une considération importante qui dépend souvent du type de technique d’ionisation utilisé (voir plus loin). Tous les spectromètres de masse disposent de techniques pour l’ionisation de l’échantillon et pour la séparation des ions selon leur rapport m/z. Ces techniques sont discutées en détail ci-après. Une fois séparés, les ions doivent être détectés et quanti-fiés. Un collecteur d’ions typique consiste en une lentille de foca-lisation qui ne dirige qu’une série d’ions à la fois vers le collecteur où ils sont détectés et amplifiés par un multiplicateur d’électrons. Les détecteurs d’ions sont conçus pour répondre à un équilibre entre sensibilité, précision et temps de réponse. De manière générale, un temps de réponse rapide et une précision élevée sont mutuellement exclusifs. La technique de détection des ions dépend dans une certaine mesure de la technique de séparation.

Aujourd’hui, pour ainsi dire tous les spectromètres sont interfacés avec un ordinateur. L’ordinateur contrôle la mise

* Cette définition est la plus couramment utilisée pour calculer la résolu-tion, mais pas la seule.

Système Informatique

Techniqued’ionisation

Introductionde l’échantillon

Techniquede séparation

des ionsDétecteur

FIgure 1.2 Schéma bloc des éléments d’un spectromètre de masse type.

1.3 teChniqueS D’iOniSatiOn 3

en œuvre de l’instrument, y compris la chromatographie, col-lecte, stocke les données et fournit soit un histogramme soit des donnés tabulées.

1.3 technIques d’IonIsatIon

Le grand nombre de méthodes d’ionisation, certaines étant très spécialisées, exclut une étude exhaustive. Les plus courantes, sont la phase gazeuse, la désorption et l’évaporation et sont décrites ci-dessous.

1.3.1 techniques d’ionisation en phase gazeuse

Les techniques de génération d’ions en phase gazeuse pour la spectrométrie de masse sont les plus anciennes et les plus populaires auprès des chimistes organiciens. Ces techniques s’appliquent à des composés ayant une tension de vapeur d’en-viron 10–6 Torr à une température à laquelle le composé est stable ; ce critère concerne un grand nombre de molécules organiques non ioniques de M < 1000 Da.

1.3.1.1 Ionisation par impact électronique. L’impact électro-nique (IE) est historiquement la technique de production d’ions la plus répandue en spectrométrie de masse. C’est également celle sur laquelle se focalise le présent chapitre pour l’interprétation des spectres de masse à des fins de détermination de structure. Des molécules en phase vapeur, de l’échantillon, sont bombar-dées par des électrons très énergétiques (généralement 70 eV), qui ont pour fonction d’éjecter un électron d’une molécule de l’échantillon en produisant un radical cation, nommé ion molé-culaire. Comme le potentiel d’ionisation d’un composé orga-nique classique est généralement inférieur à 15 eV, les électrons d’impact transfèrent un excédent d’énergie de 50 eV (ou plus) à l’ion moléculaire formé, qui le dissipe en partie par rupture de liaisons covalentes dont l’énergie est comprise entre 3 et 10 eV.

La rupture de liaison est habituellement totale et critique, hautement reproductible et caractéristique du composé. De plus, ce procédé de fragmentation étant en partie prédictible, il est à la base de la puissance de la spectrométrie de masse dans l’élucidation de structure. Souvent, l’excédent d’énergie transféré à l’ion moléculaire est trop important, ce qui conduit à un spectre de masse sans ion moléculaire distinct. La réduc-tion de la tension d’ionisation est une stratégie couramment employée pour obtenir l’ion moléculaire ; cette stratégie est souvent fructueuse car la fragmentation est alors très réduite. Elle a cependant un inconvénient : les variantes du spectre ne peuvent pas être interprétées par comparaison avec les spectres standards de la littérature.

Pour de nombreux chimistes organiciens, spectrométrie de masse est synonyme de spectrométrie de masse par IE. Et ceci pour deux raisons. La première est historique, l’IE était large-ment disponible avant le développement des autres méthodes d’ionisation. L’essentiel des premiers travaux de spectrométrie de masse reposaient sur l’IE. La seconde raison est que les princi-

pales bibliothèques et bases de données de spectres de masse, sur lesquelles reposent bien des travaux et qui sont si souvent citées, réunissent des spectres d’IE. Des bases de données facilement accessibles contiennent les spectres IE de plus de 390 000 com-posés et disposent de moteurs de recherche efficaces. L’unicité du spectre de masse IE d’un composé organique donné, même pour des diastéréo-isomères, est une quasi-certitude. C’est cette unicité, associée à la grande sensibilité de la méthode, qui rend si puissant et si populaire l’outil analytique CPG-SM. Nous commencerons la discussion sur les spectres de masse IE à la section 1.5.

1.3.1.2 Ionisation chimique. L’ionisation par impact élec-tronique provoque souvent une telle fragmentation qu’il est impossible d’observer le pic moléculaire. Un moyen d’éviter ce problème consiste à utiliser une technique d’ionisation indi-recte ; l’ionisation chimique (IC) rencontre un certain succès et est largement disponible sur de nombreux instruments commerciaux. En IC, les molécules de l’échantillon (en phase vapeur) ne sont pas bombardées par un faisceau d’électrons à haute énergie. Au lieu de cela, un gaz réactif (habituellement le méthane, l’isobutane, l’ammoniac ou autres) est introduit dans la source d’ionisation et ionisé. Les molécules de l’échantillon entrent en collision avec les molécules ionisées du gaz réactif (CH

5+, C

4H

9+, etc.) dans la source IC où la pression est relative-

ment élevée pour conduire à une ionisation secondaire (c.-à-d. une ionisation chimique) par transfert de proton en produisant un ion [M + 1]+, par addition électrophile en produisant des ions [M + 15]+, [M + 29]+, [M + 41]+ ou [M + 18]+ (avec les ions NH

4+)

ou (plus rarement) par transfert de charge en produisant un ion [M]+. Les spectres d’ionisation chimique présentent parfois des pics d’ion [M – 1]+ résultants de l’abstraction d’un hydrure. Les ions ainsi produits ont un nombre pair d’électron. L’excès d’énergie transférée à l’échantillon durant la phase d’ionisation est suffisamment faible, généralement inférieur à 5 eV, si bien que la fragmentation est grandement réduite. Cela a plusieurs conséquences importantes, les plus riches étant l’abondance d’ions quasi-moléculaires et une sensibilité accrue due à un courant ionique total concentré dans un petit nombre d’ions. En revanche, on en retire moins d’informations structurales. Les ions quasi-moléculaires sont généralement assez stables et facilement détectés. Souvent, seuls un ou deux fragments sont produits et même parfois aucun.

Par exemple, le spectre de masse IE de la 3,4-diméthoxya-cétophénone (figure 1.3) montre, en plus du pic de l’ion molé-culaire à m/z 180, de nombreux pics de fragments dans la plage m/z 15 – 167 ; parmi ceux-ci on trouve le pic de base à m/z 165 et des pics remarquables à m/z 77 et 137. Dans le spectre de masse IC (gaz réactif méthane, CH

4), le pic de base (100 %) est

l’ion quasi-moléculaire ([M + 1]+, m/z 181) et les seuls autres pics, chacun de faible intensité, sont issus de l’ion moléculaire, à m/z 180, 209 ([M + 29]+ ou M + C

2H

5+) et 221 ([M + 41]+ ou M

+ C3H

5+). Ces deux derniers, résultant de l’addition électrophile

de carbocations, sont particulièrement utiles à l’identification de l’ion moléculaire. Le gaz vecteur, méthane en excès, est ionisé lors de l’impact électronique pour former les ions CH

4+ et CH

3+,

qui réagissent avec l’excès de méthane pour donner des ions secondaires.


CH3

+ + CH4→ C

2H

5+ et H

2

CH4 + C

2H

5+→C

3H

5+ et 2H

2

Le contenu énergétique des divers ions secondaires (prove-nant respectivement, du méthane, de l’isobutane et de l’ammo-niac) décroît dans l’ordre suivant : C

3H

5+ > i-C

4H

9+ > NH

4+. Il

est donc possible, en choisissant le gaz réactif, de contrôler la tendance à la fragmentation de l’ion [M + 1]+ produit par IC. Par exemple, lorsque le méthane est le gaz réactif, le pic [M + 1]+ du dioctylphtalate (m/z 391) est le pic de base ; et plus important, les pics des fragments (m/z 113 et 149) représentent 30 à 60 % de l’intensité du pic de base. Quand l’isobutane est utilisé, le pic [M + 1]+ est encore important alors que les pics des fragments ne représentent plus qu’environ 5 % du pic [M + 1]+.

La spectrométrie de masse par ionisation chimique n’est ni performante pour la reconnaissance de pic (que ce soit manuellement ou automatiquement) ni particulièrement utile en élucidation de structure ; son principal intérêt réside dans la détection de l’ion moléculaire et donc de la masse moléculaire.

1.3.2 techniques d’ionisation par désorption

Dans les techniques d’ionisation par désorption, les molécules à étudier passent directement d’une phase condensée (matrice) à la phase vapeur sous forme d’ions. Ces techniques sont prin-cipalement utilisées dans le cas de composés lourds, non-vo-latils ou ioniques. Elles présentent des inconvénients parfois importants. Les techniques de désorption n’utilisent générale-

ment pas les échantillons de manières très efficaces. Souvent l’information retirée est limitée. Pour des composés inconnus, ces techniques servent principalement à fournir la masse molé-culaire et parfois une masse exacte. Toutefois, même pour ces applications, il faut procéder avec précaution car l’ion molécu-laire ou l’ion quasi-moléculaire n’apparaît parfois pas de façon évidente. Il en résulte souvent des spectres compliqués par de nombreux ions provenant de la matrice.

1.3.2.1 Ionisation par désorption de champ. Dans la tech-nique de désorption de champ (FD), l’échantillon est placé sur un émetteur métallique disposant de micro-aiguilles de carbone. Les micro-aiguilles activent la surface qui est soumise à une ten-sion d’accélération et tient le rôle d’anode. Les gradients de très haute tension à l’extrémité des aiguilles arrachent un électron à l’échantillon et le cation formé est expulsé de l’émetteur. Les ions générés ont très peu d’énergie excédentaire et se fragmentent donc peu ; l’ion moléculaire est habituellement le seul observé en quantité significative. Par exemple, aucun ion moléculaire n’est observé par IE ou IC pour le cholest-5-ène-3,16,22,26- tétrol. Alors que le spectre de masse FD (figure 1.4) montre principale-ment l’ion moléculaire et pour ainsi dire aucune fragmentation.

1.3.2.2 Ionisation par bombardement d’atomes rapides. Le bombardement par atomes rapides (FAB) met en jeu des atomes de xénon ou d’argon très énergétiques (6 à 10 keV) pour bombarder des échantillons dissous dans un liquide de faible tension de vapeur (ex : glycérol). Cette matrice protège l’échantillon des dommages excessifs dus aux radiations. Une méthode similaire, la spectrométrie de masse par ionisation

% d

u pi

c de

bas

e

m/z 200150100500

50

100

1543

51 7794 109

137

165

180

% d

u pi

c de

bas

e

m/z 200150100500

50

100

181

209 221

IC Gaz Réactif Méthane

IE O

CH3

H3CO

H3CO

3,4-diméthoxyacétophénoneC10H12O3M : 180

[M+1]+ = M+H+

[M+29]+ = M+C2H5+

[M+41]+ = M+C3H5+

M+

FIgure 1.3 Spectres IE et IC de la 3,4-diméthoxyacétophénone.


secondaire liquide, LSIMS, met en jeu des ions de césium encore plus énergétiques (10 à 30 keV).

Ces deux techniques produisent des ions positifs (par cap-tation de cation [M + 1]+ ou [M + 23, Na]+) et des ions négatifs (par déprotonation [M – 1]–) ; les deux types d’ion sont habi-tuellement mono chargés et, selon l’appareil, le FAB peut être utilisé en mode haute résolution. Le FAB est utilisé en premier lieu avec de grosses molécules non volatiles, en particulier pour déterminer leur masse moléculaire. Pour la plupart des catégo-ries de composés, le reste du spectre est moins utile, en partie car la plage des basses masses peut être composée d’ions émanant de la matrice elle-même. Toutefois, pour certaines familles de composés, ceux formés de « building blocks », tels que les poly-saccharides et les peptides, on peut obtenir des informations structurales car la fragmentation a habituellement lieu au niveau des liaisons, respectivement, glycosidiques et peptidiques, offrant par-là une méthode de séquençage de ces composés.

La limite de masse pour les ionisations FAB (et LSIMS) se

situe entre 10 et 20 kDa et le FAB n’est vraiment performant que jusque vers 6 kDa. Le FAB est le plus souvent équipé d’un instrument à secteur magnétique à double focalisation avec une résolution d’environ 0,3 m/z sur toute la gamme de masse ; il peut cependant être couplé à la plupart des analyseurs. L’inconvénient majeur du FAB est la présence dans le spectre d’un taux élevé d’ions générés par la matrice, qui limitent la sensibilité et peuvent masquer des ions de fragments importants.

1.3.2.3 Désorption-ionisation par plasma. La désorption-io-nisation par plasma est une technique très spécialisée presque exclusivement employée avec un analyseur à temps de vol (TOF) (section 1.4.4). Les produits de fission du californium 252 (252Cf), ayant des énergies dans la gamme 80-100 MeV, sont utilisés pour bombarder et ioniser l’échantillon. Chaque désintégration d’un noyau de 252Cf produit deux particules se déplaçant dans des directions opposées. Le top départ est donné par le contact de l’une des particules avec un détecteur. L’autre particule per-

% d

u pi

c de

bas

e

m/z

400350300250200150100500

50

100

417

399

381

283271

255

99

% d

u pi

c de

bas

e

m/z

400350300250200150100500

50

100

434

CH3

CH3

CH3

CH2

CH3

HO

OH

OH

OH

Cholest-5-ène-3,16,22,26-tétrolC27H46O4M : 434

% d

u pi

c de

bas

e

m/z

IE

IC Gaz Réactif Isobutane

FD (18 MA)

400350300250200150100500

50

100

4455

82

99

117145 159 271 300

318 416

M+

FIgure 1.4 Spectres de masse du cholest-5-ène-3,16,22,26-tétrol en impact électronique (IE), ionisation chimique (IC) et désorption de champ (FD).


cute la matrice échantillon en éjectant des ions vers un spec-tromètre de masse à temps de vol (TOF-SM). Les ions formés sont le plus souvent simplement, doublement ou triplement chargés. Ces ions ont généralement une énergie trop faible pour conduire à une fragmentation riche en informations structurales comme par exemple le séquençage des polysaccharides et des polypeptides. Le spectromètre de masse à temps de vol limite la précision de la méthode. Cette technique permet d’analyser des composés de masse moléculaire allant au moins jusqu’à 45 kDa.

1.3.2.4 Désorbtion-ionisation laser. Un faisceau laser pulsé peut être utilisé en spectrométrie de masse pour l’ionisation d’échantillon. Comme la méthode d’ionisation est pulsée, elle doit être employée avec un spectromètre de masse soit TOF, soit à transformée de Fourier (section 1.4.5). Deux types de laser sont d’usage courant : un laser à CO

2, qui émet dans l’infrarouge

lointain, et un laser néodyme/yttrium-aluminium-grenat (Nd/YAG) quadruplé en fréquence, qui émet dans l’UV à 266 nm. Sans l’assistance de matrice, la technique est limitée aux basses masses moléculaires (< 2 kDa).

La technique est bien plus puissante assistée d’une matrice (Matrix Assisted Laser Desorption Ionization, ou MALDI). Deux matériaux de matrice, l’acide gentisique* et l’acide sinapinique, dont les bandes d’adsorption coïncident avec le laser utilisé, sont couramment employés. Des échantillons de masses moléculaires allant jusqu’à deux-cent mille à trois-cent mille Da ont été analysés avec succès. Quelques pico-moles d’échantillon sont mélangées à la matrice avant d’être irradiées par une impulsion, qui provoque l’éjection d’ions (habituelle-ment mono chargés mais on observe occasionnellement des ions poly-chargés et des dimères) de la matrice vers le spec-tromètre de masse.

Ces ions, dont l’excès d’énergie est faible, n’ont qu’une faible tendance à se fragmenter. Pour cette raison, cette technique est très utile pour les mélanges. Le MALDI est le plus sou-vent utilisé avec un TOF-MS ou un spectromètre de masse à transformée de Fourier (FT-MS ; les deux analyseurs de masse permettent une mesure précise de la masse. De même que les autres méthodes assistées d’une matrice, le MALDI souffre des

* Acide 2,5-dihydroxybenzoïque

interférences avec les constituants de la matrice, qui est encore exacerbée par la formation d’adduits. De ce fait, l’attribution de l’ion moléculaire d’un composé inconnu peut être aléatoire.

1.3.3 techniques d’ionisation par évaporation

Il existe deux techniques importantes dans lesquelles les ions ou, moins souvent, des composés neutres en solution (conte-nant souvent de l’acide formique) sont isolés par évaporation des molécules de solvant, et simultanément ionisés en libé-rant les ions utilisés pour l’analyse de masse. Couplées à un appareillage de chromatographie liquide, ces méthodes sont devenues extrêmement populaires.

1.3.3.1 Spectrométrie de masse thermospray. Avec la tech-nique thermospray, l’échantillon est introduit en solution dans le spectromètre de masse au moyen d’un tube capillaire chauffé. Le tube nébulise et évapore partiellement le solvant pour former un courant de fines gouttelettes introduites dans la source d’ions. Lorsque le solvant est totalement évaporé, les ions peuvent être analysés. Cette méthode permet de traiter des flux importants et des tampons ; ce fut une des premières solutions pour coupler des spectromètres de masse avec la chromatographie liquide en phase aqueuse. Cette technique a été largement supplantée par l’électrospray.

1.3.3.2 Spectrométrie de masse par électrospray**. En électrospray (ES) (figure 1.5), les ions sont générés à pres-sion atmosphérique (ou proche) ; cette technique est d’ailleurs également appelée ionisation à pression atmosphérique (API). L’échantillon en solution (habituellement dans un solvant polaire volatile) pénètre la source d’ions via un capillaire en acier inoxydable entouré d’un flux coaxial d’azote, appelé gaz nébuliseur. L’extrémité du capillaire est maintenue à une ten-sion élevée par rapport à une contre électrode. La différence de potentiel produit un gradient de champ pouvant aller jusqu’à 5 kV/cm. Un aérosol de gouttelettes chargées se forme lorsque

** Aussi appelée électonébulisation.

Spectromètrede masse

Solvant / Échantillon

Gaz nébuliseur

Aiguille du nébuliseur

Gaz nébuliseur

2-5 kVAlimentation

Aérosol ESI / Gouttelettes avec excès de charge surfacique

Plaque chargée

Entrée du capillaire

FIgure 1.5 Schéma montrant l’évaporation conduisant aux ions isolés dans un appareil à électrospray.


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’éva-poration du solvant, la concentration en ions chargés augmen-tant en conséquence. Quand la répulsion électrostatique entre les ions atteint un point critique, les gouttelettes subissent ce que l’on nomme une « explosion Coulombique », qui libère les ions dans la phase vapeur. Les ions désolvatés sont focalisés par plusieurs échantillonneurs vers l’analyseur de masse.

La SM électrospray connaît une intense activité depuis les années 1990, essentiellement pour des composés présentant plusieurs sites chargés. Les protéines par exemple forment des ions poly chargés. Puisqu’un spectromètre de masse mesure un rapport masse sur charge (m/z) et non pas directement la masse, ces ions poly chargés apparaissent à des valeurs de masse apparentes de 1

2,

13,…

1n de leur masse réelle, où n est

le nombre de charges (z). Les grosses protéines peuvent porter 40 charges ou plus, ce qui permet de détecter des molécules de masse allant jusqu’à 100 kDa, avec des spectromètres de masse conventionnels à quadripôle, secteur magnétique ou piège ionique. Les spectres présentent une série de pics à des masses croissantes, correspondant aux ions pseudo moléculaires possédant séquentiellement un proton de moins et donc une charge de moins.

La détermination de la masse réelle de l’ion impose de connaître la charge de l’ion. Si deux pics différant d’une seule charge, peuvent être identifiés, le calcul relève alors de l’algèbre élémentaire. Rappelons-nous que chaque ion d’une molécule (M

s) a la formule générale (M

s + zH)z + où H est la masse d’un

proton (1,0079 Da). Pour deux ions différant d’une charge,

m1 = [M

s + (z + 1) H]/(z + 1) et m

2 = [(M

s + zH)/z]. La résolution

simultanée des deux équations donne, z = (m1 – H)/(m

2 – m

1).

Un programme simple automatise le calcul pour chaque pic du spectre et calcule directement les masses.

De nombreux fabricants proposent des spectromètres de masse peu coûteux dédiés à l’électrospray pour deux raisons. Premièrement, la technique est à la fois performante et simple à mettre en œuvre. Deuxièmement, l’analyse de protéines et de peptides s’est beaucoup développée et l’électrospray est proba-blement la technique la plus adaptée.

La figure 1.6 compare les spectres de masse IE (en bas) et ES (en haut) du lactose. Le lactose est étudié plus en détail au chapitre 5. Le spectre IE est absolument inexploitable car le lactose est peu volatil et thermiquement labile ; le spectre ne montre aucun pic caractéristique. Le spectre ES montre un pic moléculaire de faible intensité à m/z 342 et un pic à [M + 23]+ caractéristique de l’ion moléculaire plus sodium. Ces adduits sont très courants de par l’omniprésence du sodium dans les solutions aqueuses.

Le spectre ES d’un tétra-peptide composé de valine, gly-cine, sérine et acide glutamique (VGSE) est présenté à la figure 1.7. Le VGSE est également étudié au chapitre 5. Le pic de base est l’ion [M + 1]+ à m/z 391 et l’intensité de l’adduit de sodium, [M + 23]+ est de presque 90 % de celle-là. De plus, on accède à des informations utiles sur la fragmentation, caractéristique de chacun des acides aminés. Pour des petits peptides, il n’est pas rare d’avoir une fragmentation intéres-sante mais cela est moins vrai pour les protéines.

Les méthodes d’ionisation sont récapitulées dans le tableau 1.1.

350300250200150100500

50

100

200 251 342

365

% d

u pi

c de

bas

e%

du

pic

de b

ase

m/z

m/z

ES

IE

O

HO

H

H

HO

H

HOHH

O

OH

O

H

H

HOH

OHOHH H

OH

Lactose, C12H22O11, M : 342

350300250200150100500

50

1005760

73

85

103

131163 191

M+

[M+23]+ (Na)

FIgure 1.6 Spectres IE et ES du lactose.


1.4 analyseurs de masse

L’analyseur, qui sépare le mélange d’ions généré à l’étape d’io-nisation par ordre de m/z afin d’obtenir un spectre, est le cœur du spectromètre. Il en existe différents types qui ont chacun leurs propres caractéristiques. Chacun des principaux types est décrit ci-après. Cette section se termine par une brève discus-sion sur la SM tandem et les techniques associées.

1.4.1 spectromètres de masse à secteur magnétique

Les spectromètres de masse ont initialement été développés au début du vingtième siècle ; en 1922, le prix Nobel de chimie a,

entre autres, récompensé le développement du spectrographe de masse. Tous les premiers instruments étaient à secteur magné-tique. Dans un spectromètre de masse à secteur magnétique, un champ magnétique dévie circulairement la trajectoire des ions (voir la figure 1.8). Même si les premiers spectromètres de masse commercialisés étaient à secteur magnétique, ceux-ci sont tou-jours importants aujourd’hui. La séparation des ions est fondée sur le rapport m/z ; les ions les plus légers étant plus déviés que les ions les plus lourds. La résolution dépend de chaque ion entrant dans le champ magnétique (depuis la source) avec la même énergie cinétique, obtenue en accélérant les ions (de charge z) par une tension V. Chaque ion acquiert une énergie cinétique E = z V = mv2/2. Quand un ion accéléré entre dans le champ magnétique (B), il subit une force (Bzv) qui courbe sa tra-jectoire perpendiculairement à sa direction initiale. L’ion évolue

400350300250200150

50

100 413391

373

292244

235

157

% d

u pi

c de

bas

e

m/z

M-17M-(E)M-(E,S)

M-(V)

M-(V,G)

H2N CH C

CH

NH

O

CH3

CH3

CH2C NH

O

CH C

CH2

NH

O

OH

CH C

CH2

OH

O

CH2

C

OH

O

Valine (V)C5H10ONM : 100

Glycine (G)C2H3ONM : 57

Sérine (S)C3H5O2NM : 87

Glutamate (E)C5H8O4NM : 146

1 2

3

4

5

1

2

312

12

3

45

ES

[M + 1]+

[M + H]+ [M + 23]+

[M + Na]+

FIgure 1.7 Spectre électrospray (ES) du tétra-peptide VGSE dont la structure est donnée sur la figure. Voir les explications dans le texte.

taBleau 1.1 Résumé des techniques d’ionisation.

Technique d’ionisation Ions formés Sensibilité Avantages Inconvénients

Impact électronique (IE) M+ ng – pg Possibilité de recherchedans des bases de données

Informations structurales

M+ parfois absent

Ionisation chimique (IC) M + 1, M + 18, etc. ng – pg M+ généralement présent Peu d’informations structuralesDésorption de champ (FD) M+ μg – ng Composés non volatils Équipement spécialiséBombardement d’atomes

rapides (FAB)M + 1,M + cation,M + matrice

μg – ng Composés non volatilsInformations sur le séquençage

Interférence avec la matriceDifficulté d’interprétation

Désorption plasma M+ μg – ng Composés non volatils Interférence avec la matriceDésorption laser

(LD / MALDI)M + 1,M + matrice

μg – ng Composés non volatilsTechnique pulsée

Interférences avec la matrice

Thermospray M+ μg – ng Composés non volatils DépasséÉlectrospray (ES) M+,

M++,M+++, etc.

ng – pg Composés non volatilsInterface possible avec CL

phase aqueuseForme des ions poly-chargés

Classes de composés limitéesPeu d’informations structurales

1.4 analySeurS De MaSSe 9

maintenant sur une trajectoire circulaire de rayon r, donnée par Bzv = mv2/r. Les deux équations peuvent être combinées pour conduire à l’équation familière d’un secteur magnétique : m/z = B2r2/2V. Puisque le rayon de l’instrument est fixe, le champ magnétique est balayé pour focaliser successivement les ions de m/z différents. Comme le montrent ces équations, un appareil à secteur magnétique sépare les ions sur la base de leur moment, qui est le produit de la masse par la vitesse, plutôt que sur la seule masse ; en conséquence, des ions de même masse mais d’énergies différentes seront focalisés en des points différents.

Un analyseur électrostatique (ESA) peut considérablement réduire la distribution d’énergie d’un faisceau d’ions en forçant les ions de même charge (z) et énergie cinétique (indépendamment de la masse), à suivre la même trajectoire. Une fente à la sortie de l’ESA focalise encore le faisceau d’ion avant qu’il entre dans le détecteur. La combinaison d’un ESA et d’un secteur magnétique est appelée double focalisation, car les deux champs contrecarrent les effets dispersifs que chacun a sur la direction et la vitesse.

La résolution d’un appareil à secteur magnétique à double focalisation (figure 1.9) peut atteindre 100 000 grâce à l’uti-lisation de fentes extrêmement étroites. Cette résolution très

élevée permet la mesure de « masses exactes », offrant un accès univoque à la formule moléculaire, ce qui en fait une technique de choix. En comparaison, des fentes donnant une distribution d’énergie correspondant à une résolution de 5 000 ont une pré-cision d’au moins 0,5 m/z sur la plage des masses, c’est-à-dire la « résolution unitaire » utilisée dans un spectromètre de masse standard. Les appareils à secteur magnétique commerciaux sont limités à des m/z d’environ 15 000. Bien que cela soit théoriquement possible, des aspects pratiques empêchent de repousser cette limite.

1.4.2 spectromètres de masse quadripolaires

L’analyseur quadripolaire (parfois abrégé en QMF pour filtre de masse quadripolaire), également appelé quadripôle de trans-mission, est beaucoup moins encombrant et onéreux qu’un appareil à secteur magnétique. Un quadripôle (schématisé à la figure 1.10) se compose de quatre barreaux (de 100 à 200 mm de long) cylindriques (ou de section hyperbolique) parallèles

IonisationIntroduction de l’échantillon

Séries de lentilles

Secteur magnétique (B

)DétecteurOrdinateur

Fentes du collecteurB0

N

FIgure 1.8 Diagramme schématique d’un analyseur à secteur 180° et focalisation simple. Le champ magnétique (B0) est perpendiculaire à la page. Le rayon de courbure varie d’un instrument à l’autre.

IonisationIntroduction

de l’échantillon

Séries de lentilles Secteur magnétique

(B)

DétecteurOrdinateur

Fentes du collecteur

Secteur électrique

Fente de focalisationÉlément de focalisation

Φm = 65or = 35 cm

FIgure 1.9 Schéma d’un spectromètre de masse à double focalisation.


entre eux, placés aux sommets d’un carré. Une analyse mathé-matique complète du quadripôle est complexe mais son fonc-tionnement peut être décrit en termes simples. Cet analyseur de masse non magnétique emploie une tension continue, modifiée par une tension radiofréquence, appliquée aux barreaux. Les ions sont introduits à une extrémité du « tunnel » formé par les quatre barreaux, au centre du carré et se déplacent le long de son axe.

Pour chaque combinaison de tension continue et de modu-lation à la fréquence appropriée (toujours selon un rapport constant), seuls les ions d’un m/z donné ont une trajectoire stable et donc traversent le quadripôle pour atteindre le détec-teur. Tous les ions de m/z différents ont des trajectoires ins-tables ou erratiques et percutent un des barreaux ou sortent du quadripôle. On peut se représenter facilement le quadripôle comme un filtre de masse réglable. En d’autres termes, tous les ions entrent d’un côté mais seuls les ions d’un m/z donné sortent de l’autre. En pratique, le filtrage peut être réalisé extrê-mement rapidement, à tel point que l’intégralité de la gamme de masse peut être balayée en moins d’une seconde.

Le développement du QMF a transformé la spectrométrie de masse pour toujours. Moindre coût et simplicité d’utilisa-tion ont conduit à des instruments « de paillasse », qui en retour ont amené les chimistes et les techniciens à les utiliser en rou-tine. De plus, les temps de balayage très rapides permettent le couplage du spectromètre de masse quadripolaire à un chro-matographe en phase gazeuse.

Du point de vue de la résolution et de la plage de masse, le quadripôle est généralement inférieur au secteur magnétique. Par exemple, la gamme de masse est couramment limitée à des m/z de 5 000. En revanche, la sensibilité est généralement très élevée puisqu’il n’est pas nécessaire d’employer une fente qui éliminerait une fraction des ions. Un avantage important du quadripôle est qu’il est d’autant plus efficace qu’il agit sur des ions dont la vitesse est faible, cela signifie que la source d’ions peut travailler à un faible potentiel (donc à basse ten-sion). Puisque les ions entrants ont généralement une énergie inférieure à 100 eV, le quadripôle est idéal pour être connecté à un système de chromatographie liquide et à des techniques d’ionisation à pression atmosphérique (API) comme l’électros-

pray (voir la section 1.3.3.2). Ces techniques sont d’autant plus performantes que l’énergie des ions est faible car cela réduit les collisions à haute énergie avant leur entrée dans le quadripôle.

1.4.3 spectromètre de masse à piège ionique

Le piège ionique, également appelé piège ionique à quadripôle, est parfois considéré comme une variante du quadripôle, car il dérive directement des travaux de recherche sur les qua-dripôles. Toutefois le piège ionique est potentiellement bien plus polyvalent et est certainement promis à un développement important. Il fut un temps où le piège ionique avait mauvaise réputation car les premières versions donnaient des résultats inférieurs à ceux des quadripôles. Ces problèmes ont été résolus et les spectres IE obtenus avec un piège ionique sont mainte-nant compatibles avec les bases de données commerciales. De plus, le montage en piège ionique a une meilleure sensibilité que celui en quadripôle et est systématiquement configuré pour des expériences tandem, sans matériel complémentaire.

En un sens, un piège ionique est bien nommé car alors qu’un quadripôle agit simplement comme un filtre de masse, le piège ionique « piège » littéralement des ions pendant une durée relativement longue, avec des conséquences impor-tantes. Dans l’usage le plus simple, les ions piégés sont éjectés successivement vers un détecteur pour produire un spectre de masse conventionnel. Avant de décrire brièvement les autres applications des ions piégés, il peut être utile de détailler le piège ionique.

Il se compose généralement de trois électrodes (d’où le nom de piège ionique quadripolaire 3D, ou QIT 3D qui lui est souvent donné), l’une annulaire de face interne hyperbo-lique et les deux autres (électrodes chapeaux d’entrée et de sortie), hyperboliques, aux extrémités (une vue en coupe d’un piège ionique est représentée sur la figure 1.11). L’électrode annulaire reçoit un champ radiofréquence sinusoïdal alors que les deux autres sont soumises à l’un des trois modes suivants. L’électrode chapeau peut être soumise au potentiel de masse, à une tension CA ou CC.

Chambre d’ionisation

Lentilles source

Détecteur

Faisceau d’ions Quadripôle Ions résonnants

+ +

Tension DC et RF

FIgure 1.10 Représentation schématique d’un «filtre de masse» quadripôle ou séparateur d’ion.

1.4 analySeurS De MaSSe 11

Le déplacement des ions dans un piège ionique est mathéma-tiquement décrit par l’équation de Mathieu. Les diagrammes de stabilité ionique tridimensionnelle sont détaillés et discutés dans les ouvrages de March et Hughes (1989) ou Nourse et Cooks (1990). La grande variété d’expériences facilement réalisable en jouant sur les trois paramètres tension RF, courant continu ou alternatif font l’élégance du piège ionique (Voir March et Hughes, 1989 pour plus de détails).

Le piège ionique peut fonctionner selon trois modes de base. Premièrement, tension RF fixe et pas de polarisation entre les électrodes chapeaux d’entrée/sortie et l’électrode annulaire : tous les ions dans la limite d’un m/z donné seront piégés. Quand la tension RF est augmentée, la limite de m/z diminue de façon contrôlée et les ions sont successivement éjectés et détectés. Il en résulte un spectre de masse standard et cette procédure est nommée opération en mode « instabilité sélective de masse ». Dans ce mode, le potentiel RF maximum applicable entre les électrodes fixe limite la masse maximum. Les ions de masse supérieure à cette limite sont éliminés quand le potentiel est ramené à zéro.

Deuxièmement, tension continue entre les électrodes cha-peaux d’entrée/sortie ; globalement, cela fait apparaître deux limites, basse et haute, de m/z. Le champ d’application de ce mode est gigantesque et les trappes ioniques sont la plupart du temps utilisées dans cette configuration. Il est possible de sélectionner jusqu’à une seule masse ionique. Un des usages importants de ce mode est le suivi sélectif d’ion. Il n’y a pas de limite pratique au nombre de masses ioniques qu’il est possible de sélectionner.

Le troisième mode est similaire au deuxième avec en plus, un champ oscillant auxiliaire entre les électrodes d’entrée/sortie, cela permet d’augmenter sélectivement l’énergie ciné-tique d’un ion donné. Avec un champ auxiliaire faible, l’énergie cinétique des ions choisis augmente lentement, durant ce temps ils peuvent s’entrechoquer puis se fragmenter ; on fonctionne alors parfois à près de 100 % en SM-SM. Si on considère à la fois la sensibilité inhérente au piège ionique et le fonctionne-ment tandem à quasiment 100 %, l’utilisation du piège ionique

pour des expériences tandem SM surpasse de loin le « triple quad » (voir ci-dessous).

L’addition d’énergie cinétique peut également être utilisée pour éliminer du piège des ions indésirables. Il peut s’agir d’ions provenant du solvant ou de la matrice en FAB ou LSIMS. Un champ de fréquence constante à haute tension, durant la phase d’ionisation éliminera sélectivement un ion. Ce mode permet également de sélectionner plusieurs ions.

1.4.4 spectromètres de masse à temps de vol

Le concept de spectromètre de masse à temps de vol (TOF) est assez simple. Les ions sont accélérés par un potentiel (V), on les laisse ensuite « dériver » le long d’un tube jusqu’à un détec-teur. En supposant que tous les ions se présentant à l’entrée du tube ont la même énergie, donnée par zeV = mv2/2, alors des ions de masses différentes auront des vitesses différentes : v = (2zeV/m) 1/2 Si le tube du spectromètre à une longueur L, le temps de vol d’un ion est donné par : t = (L2m/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 spec-tromètres TOF à des techniques d’ionisation pulsées, dont la désorption laser et plasma (MALDI, Désorption-Ionisation Laser Assistée par Matrice).

La résolution des instruments TOF est généralement infé-rieure à 20 000 du fait de l’inévitable distribution de l’énergie de l’ion. De plus, comme les écarts entre les temps d’arrivée au détecteur peuvent être inférieurs à 10–7 s, une électronique ultrarapide est nécessaire pour atteindre la résolution adé-quate. Points positifs, la gamme de masse de ces instruments est illimitée et, comme pour les quadripôles, l’absence de fente de résolution confère une excellente sensibilité. Cette technique est donc particulièrement adaptée aux grosses bio molécules.

Chambre d’ionisation

Électrodesentrée / sortie

Lentille de Heinzel,élément central

Lentilles sourceLentille de Heinzel,premier élément

Électrode annulairede la trappe

FIgure 1.11 Coupe d’une trappe ionique.

INDEX

Absorbance (A), 71Absorptions caractéristiques des groupes,

81, 121Aimant supraconducteur, 129, 131, 132Aimantation nette, 130, 131, 237, 240Aimantation, verrouillage de spin, 263, 266Angle de Ernst, 237Angle dièdre, 164, 165Anisotropie diamagnétique, 137, 138, 208,

213Annulènes, 138Atome lourd, effet, 216Augmentation d’intensité par transfert de

polarisation sans distorsion (DEPT), 206 (Section 4.6), 246, 248, 271

Axe de symétrie (Cn), 154, 156, 202

Axe de symétrie alternant (Sn), 154, 156

Axe de symétrie simple (Cn), 154

Axe des fréquences, ν1, 239-241, 245-246

Axe des fréquences, ν2, 239-241, 245-246

B0, 129-130

Bas champ et haut champ, 135Blindage, 135, 137, 138, 305Blindage diamagnétique, 135, 316Blindage paramagnétique, 305, 316

Carbone, couplage au 1H, 153, 200Centre de symétrie (i), 154Champ magnétique, force (B

0), 129, 134-135,

196-197Chimie quantique, calculs de, 140, 308, 316,

332Chiralité, 158, 162-163, 205, 300, 332, 362Cisaillement, 72, 73, 82C

n (axe de symétrie), 154, 202

Collecteur d’ions, 2Composés de référence, 135, 136, 208, 305-

308, 311, 316, 318, 328-330Constante de blindage (σ), 135Constantes de couplage 13C–1H, 153, 200Contours, 239-240Corrélation 13C–13C (INADEQUATE), 245,

254-256Corrélation 1H–13C, 245-248Corrélation hétéro-nucléaire 1H–13C à longue

distance avec détection du proton, 246COSY (COrrelation SpectroscopY), 242COSY 1H–1H, 242-246

Couplage, fort, faible, 140-141, 155, 156-158Couplage, virtuel, 159-162Couplage à longue distance, 141, 143, 144,

165, 189-190, 248, 251, 310, 317Couplage des protons au 13C, 153, 200Couplage des protons au 19F, 152, 311-316Couplage des protons au 29Si, 153, 316-317Couplage des protons au 31P, 153, 317-320Couplage des protons au D, 152Couplage faible, 143-144, 157-160Couplage fort, 160 (Section 3.11.2) Couplage géminal, 140, 141, 159, 162, 164-

165, 179, 242Couplage spin-spin, 140 (Section 3.5), 189,

190, 200 (Section 4.2.5), 241Couplage, fort, faible, 140-141, 155, 156-158Couplage vicinal, 140, 141, 162, 164-165, 189Couplages 1H–13C 2J et 3J, 195, 200-202Couplages carbone-carbone, 195, 254-258Courant de cycle, 138CPD (découplage par impulsion composite),

195, 246CW (onde continue), 129Cyclage de phase, 241, 245, 274

δ, échelle (déplacement chimique), 134 (Sec-tion 3.4), 196 (Section 4.2.2), 305

Dalton (Da), 1Déblindage, 135-137Découplage de spin, 166, 195 (Section 4.2.1),

246Découplage des protons, 195 (Section 4.2.1)Découplage en bande large des protons, 195,

246Découplage hors résonance, 206Découplage par intervalle inversé, 204, 205,

206, 207, 307, 308, 316Découplage par intervalle, 195, 200, 237Découplage proton-proton, 165Découplage, hors résonance, 205Décroissance du signal de précession (FID),

129-132, 134, 196, 198, 237, 238Déformation (liaisons), 71-75Degrés de liberté, 72Délai entre impulsions, 195, 197, 204, 243Déplacement chimique (δ), 134, 196, 198,

305, 306Déplacement chimique, effet du solvant sur

le, 147-152, 192, 208, 232, 233, 308Déplacements chimiques du 15N, 308

Déplacements chimiques du 19F, 311-316Déplacements chimiques du 29Si, 316-317Déplacements chimiques du 31 P, 317DEPT, 206 (Section 4.6), 246, 248, 271Désorption de champ (FD), 4, 5, 8Désorption plasma, 5, 8, 11Désorption-ionisation laser, 6Détection inverse, 245, 310Deutérium, 133, 152, 202, 305Deutérium, échange, 149, 152Diagonale COSY 1H–1H, 241-245Diamagnétisme, 135Dimension, 237-238Dipôle magnétique, 128, 130Dissociation induite par collision (CID), 12Distribution de Boltzmann, 129, 130, 131,

133, 204, 307Double focalisation, 5, 9Double liaison partielle, 155Double résonance, 165

Échange des protons OH, 147 (Section 3.6.1)Échange par des opérations de symétrie, 154,

155, 205Échange par inversion autour d’un centre de

symétrie (i), 154Échange par réflexion sur un plan de symé-

trie, 154, 155, 202Échange par rotation autour d’un axe de

symétrie simple (Cn), 154, 155, 202

Échange rapide, 138, 154, 155Échelle delta (δ), 134 (Section 3.4), 196 (Sec-

tion 4.2.2), 305Effet Overhauser nucléaire, 166, 199, 200,

204, 307Électronégativité, 136, 137, 197, 208, 209,

216Électrospray (ionisation) (ESI), 6Élimination d’eau, 22, 23Élongation (liaisons), 73, 74Énantiomères, 154Énantiotopes, 154Équivalence chimique, 153 (Section 3.8), 204

(Section 4.5), 246Équivalence magnétique, 157 (Section 3.9)Ernst, angle de, 237Explosion coulombique, 7

19F (déplacements chimiques et constantes de couplage), 311-316

460 InDEx

19F (résonance magnétique nucléaire), 311-316

F1 (axe) (ν1), 240-241, 244-246

F2 (axe) (ν2), 240-241, 244-246

FAB (Fast Atom Bombardment), 4FD (désorption de champ), 4, 5, 8Ferromagnétique (impureté), 134FID (free induction decay), 130-131, 134,

196, 198, 237, 238Filtrage à double quanta COSY 1H-1H (DQF-

COSY), 242Formule moléculaire, 14, 46, 132, 331Formule moléculaire et de fragment, 13, 15,

46, 67Fragmentations, 1, 3, 16Fréquence, de Larmor (ν

L), 129, 130, 200,

237, 307Fréquence cycloïde, 12Fréquence effective (ν

eff), 135

FT IR (infrarouge à transformée de Fourier), 76, 77

FT-MS (spectrométrie de masse à trans-formée de Fourier), 6, 12, 13

FT-NMR (RMN à transformée de Fourier), 129, 196, 237-240, 275

γ (rapport gyromagnétique), 129, 132, 133, 195-197, 202, 245, 307, 328-330

γ, effet, 208, 211, 214Gain NOE, 166, 197, 199, 304, 307, 308, 316,

318Gaz réactif, 3, 4GC-FT-IR, 77Géminal, couplage, 140, 141, 159, 162, 164-

165, 179, 242Gradient de champ pulsé (Pulsed Field Gra-

dient - PFG), 274 (Section 5.12)

2H (deutérium), 133, 152-153, 202, 305, 328

3H (tritium), 305, 328Halogénures, effet des- sur les protons, 152Haut champ et bas champ, 135HETCOR (HETeronuclear Chemical Shift

CORrelation), 245-246HETCOR à détection proton, 246HMBC (Heteronuclear Multiple Bond Cohe-

rence), 246-248, 311HMQC (Heteronuclear Multiple Quantum

Coherence), 245-246, 311, 320HMQC-TOCSY, 264HOHAHA (Homonuclear Hartmann-Hahn),

263Homomères (molécules), 154Homotopes, 154Hors diagonal, 241, 242Hydroxy, substituant, 89, 108, 147-149

i (Centre de symétrie), 154I (nombre quantique de spin), 128, 129, 195,

328-330IC (ionisation chimique), 3IE (impact électronique), 3Image miroir, 154Impuretés, 134, 148, 149, 152, 192, 196, 202,

232, 233Impuretés ferromagnétiques, 134INADEQUATE (Incredible Natural Abun-

dance DoublE QUAntum Transfer Experiment), 254-258

Indice de déficience en hydrogène, 15, 331Insaturation, degré d’-, 15Intégration, 132, 138, 140, 146, 197Intensité des pics, 13, 17, 71, 79, 128, 142,

166, 195, 197, 200, 204, 237Interactions couplées, 74Interchangeables, noyaux, 153, 154, 155, 204Interconversion autour des liaisons simples

des chaînes, 155-157Interconversion autour des liaisons simples

des cycles, 155Interconversion autour d’une double liaison

partielle, 155Interconversion, céto-énolique, 154-155Interférogramme, 77, 239, 240Interféromètre, 77Inversion-récupération (méthode), 197, 199Ion moléculaire, M+, 15Ion moléculaire à haute résolution, 15Ion parent, 12Ionisation (méthodes), 3Ionisation à pression atmosphérique (API), 6Ionisation chimique (IC), 3Ions fils, 12Irradiation, sélective, 166, 167Isotopes, 14, 15, 128, 195, 306, 328-330

λ (Lambda, longueur d’onde), 71Larmor (fréquence) (ν

L), 129, 130, 200, 307

Liaison hydrogène, 75-79, 89-91, 94-102, 105-110, 147 (Section 3.6), 209, 308

Loi de Hooke, 72, 74Longueur d’onde (λ), 71

μ (moment magnétique), 129, 328-330M (masse molaire), 46MALDI, 2, 6, 11Masse/charge (m/z), 1Matrice (désorption ionisation assistée par

laser - MALDI), 2, 6, 11McLafferty, réarrangement, 18Méthodes d’ionisation par évaporation, 6Micromètres (µm), 71Microns (µ, obsolète), 71, 93Mode d’impact électronique (IE), 3

Modulation en fonction de t1, 240-241

Molécules diastéréomériques, 154Moment angulaire, 128Moment dipolaire, 72, 74Moment magnétique (µ), 129, 328-330Moment magnétique nucléaire (µ), 126,

328-330Moment quadrupolaire, 129, 147, 150-152,

202, 306, 328-330Moment quadrupolaire électrique, 129, 147,

150-152, 202, 306, 328-330Multi-impulsionnelle, expérience, 237Multiplicité, pics 13C, 196, 201, 207, 231Multiplicité et intensité relative des pics, 142,

143, 146, 147

ν̃ (nombres d’onde en cm-1), 71, 72ν (nu, fréquence en Hz), 71, 72, 8214N, isotope, 150, 306, 307, 32815N, constantes de couplage, 30815N, isotope, 307, 32815N, résonance magnétique nucléaire,

307-311Nébulisation, 6Newman, projections, 155, 156, 164ν

L (fréquence de Larmor), 129, 130, 200, 237,

307NOE (effet Overhauser nucléaire), 166, 197,

199, 200, 304NOESY, 266Nombre d’onde (ν̃), 71Nombre quantique de spin (I), 128, 129, 195

Overhauser (effet Overhauser nucléaire), 166, 199, 200, 204, 307

31P, constantes de couplage, 31731P, résonance magnétique nucléaire, 317-320Paramagnétisme, 134Pastille (KBr), 78Pâtes, 78Période d’évolution, 237, 238, 240, 241Pic de base, 1Pic HOD, 149Pic hydroxylique, 147-149Pics croisés, 240, 241, 244, 245, 246, 248,

251, 256, 263Pics isotopiques, 14Piège à ions, 10Plan de symétrie, 154, 155, 156, 202Point d’entrée, 242Polarisation nucléaire dynamique (DNP),

133, 275Polymères, 87 (Section 2.6.8)Pople, notation, 144 (Section 3.5.3)ppm (parties par million), 134Précession, fréquence de, 130-131, 238, 241

InDEx 461

Problèmes résolus, 331Processus de relaxation, 130 (Section 3.2.3),

197 (Section 4.2.3), 237, 238, 306, 307Protons et groupes méthyles diastéréotopes,

154, 156, 161, 162, 163, 165, 205, 236, 242, 246, 248, 251, 254, 256, 264, 271, 272

Proximité à travers l’espace, 166

Quadrature, détection, 132, 241Quasimoléculaires, ions, 3Quaternaires, carbones, 197, 202, 204, 206-

208, 246, 248, 251, 254, 257

Radiofréquence, 128-131Raman, 74, 75Rapport 13C/12C, 195Rapport gyromagnétique (γ), 129, 133, 197,

199, 202, 245, 307, 328-330Réarrangements, 18Réceptivité (RMN), 305, 306, 328-330Référence IUPAC des déplacements

chimiques, 305Réflexion interne, 78Réflexions internes multiples, 78Région de l’empreinte digitale, 79Région des groupes fonctionnels, 79Règle de l’azote, 13Relaxation longitudinale (T

1), 131, 197 (Sec-

tion 4.2.3), 237, 238, 306, 307Relaxation spin-réseau (T

1), 131, 197 (Sec-

tion 4.2.3), 237, 238Repère tournant, 237, 238, 366Répulsion électrostatique, 7Résolution, 2, 13, 132, 246Résonance, fréquence, 129, 134, 196, 306,

328-330Résonance de Fermi, 75, 79, 95, 98, 99, 101RMN 13C quantitative, 197, 204 (Section 4.4)RMN 2D, 236 (Chapitre 5), 237RMN hétéronucléaire, 197, 245-248,

Chapitre 6

RMN ultrarapide, 275ROESY, 266Rotamères (conformation), 156, 157, 216Rotamères gauches, 157, 216Rotation moléculaire, 72Rotation restreinte, 156

Satellites 13C, pics, 153, 195, 246, 248Séparation des ions, 1, 2Séquence d’impulsions, 197-199, 237, 238,

241, Chapitre 529Si, composé de référence, 306, 316, 32829Si, constantes de couplage, 316-31729Si, gain NOE, 316-31729Si, résonance magnétique nucléaire,

316-317Simulation de spectre, 136, 158SM à transformée de Fourier, 6, 12, 13SM pulsée, 6, 12SM/SM (spectrométrie de masse tandem), 12S

n (axe de symétrie alternant), 154, 156, 205

Solvant, effets, 93, 147 (Section 3.6), 192, 208, 216, 218, 309

Solvants deutérés, 131, 133, 191, 192, 201, 202, 231-233

Spectre dans le domaine des fréquences, 129Spectre de vibration, 71Spectre en phase vapeur, 77, 89, 96Spectromètre infrarouge à transformée de

Fourier, 76Spectromètre IR à dispersion, 76Spectrométrie de masse quadripolaire, 9-12Spectroscopie à transformée de Fourier à

impulsion, 129-131, 237Spect roscopie de cor rélat ion, 240

(Section 5.3)Spectroscopie de différence NOE, 166-167Spin, relaxation, 130 (Section 3.2.3), 197

(Section 4.2.3), 237, 238Substances paramagnétique, 135, 204, 307Suivi sélectif, 11Superposable, 154, 155

Symétrie, opérations et éléments, 153, 154

Systèmes de spins du premier ordre, 140-146,

205

Systèmes de spins, 140-144 (Section 3.5),

157, 202, 241, 242, 263, 264

T (transmittance), 71

T1, processus de relaxation, 130, 131, 197,

237, 238, 306

T2, processus de relaxation, 130, 131, 237,

238

Tandem, SM, 12

Tautomérie, interconversion, 94, 106

Temps, signal dans le domaine du, 196

Temps de mélange, 241, 263-266

Temps de vol (TOF), 11

Thermospray, spectrométrie de masse, 6

TOCSY (TOtal Correlation SpectroscopY),

263

TOCSY 1D, 263-264

TOCSY 2D, 263

Tracés empilés, 199, 239, 263

Transfert de cohérence, 263, 164

Transfert de cohérence par relais, 263

(Section 5.8)

Transformée de Fourier, 6, 129, 196, 237-

238, 275

Transmittance (T), 71

Transverse, relaxation (T2), 131, 237, 238

Triangle de Pascal, 142, 202

Verrouillage de spin, 263, 266

Vibration moléculaire, 71-73

Vibration fondamentale, 72, 75

Vicinal, couplage, 140, 141, 162, 164-165,

189

Virtuel, couplage, 159-162

W, conformation (couplage), 140, 165


Sil

vers

tein

I

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ce Identifi cation spectrométrique de


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Une référence internationalePublié pour la première fois il y a 40 ans, en anglais, et aujourd’hui référence internationale, cet ouvrage est une excellente introduction aux méthodes spec-troscopiques : infrarouge, spectrométrie de masse et résonance magnétique nucléaire.

L’ouvrage présente une approche unifi ée de la déter-mination de la structure des composés organiques reposant essentiellement sur la spectrométrie de masse (SM), la spectroscopie infrarouge (IR) et la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) multinu-cléaire et multinoyaux.

Enrichissement de la 3e édition françaiseRédigée dans un style accessible aux étudiants, cette nou-velle édition a été actualisée pour refl éter les usages et les méthodes modernes. Elle a également été enrichie d’informations sur les polymères et les groupes fonction-nels phosphorés. Après une étude systématique des dif-férentes spectroscopies, ce livre montre comment les combiner pour déterminer la structure complète d’une molécule. Un chapitre entier est consacré à des exer-cices. Ce volume est complété par de nombreux tableaux de référence pour chaque technique.

Une méthode fondée sur la pratique et les exercicesL’ouvrage aborde avec méthode les aspects pratiques indispensables au choix de la technique la plus adaptée à la résolution de problèmes concrets :

ules derniers développements en spectrométrie de masse et l’étude systématique des différentes classes de composés ;

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ula RMN du proton ;

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ula RMN de corrélation et ses nombreuses applications à l’étude de composés complexes.

Enfi n, il offre aux étudiants un recueil d’exercices corrigés et abondamment discutés, de diffi culté croissante.

Traduction de la 8e édition américaineVincent Lafond est Docteur en chimie des matériaux et est traducteur professionnel pour S-Trad.fr

Identifi cation spectrométrique decomposés organiques


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Traduction de Vincent Lafond

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2e édition

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Traité de chimie organique

Traduction de Paul Depovere

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