Mission 8 : RMN KO, Masse à la rescousse!

 

Contexte :

Vous étes  un.e jeune chercheur.euse ayant synthétisé une nouvelle molécule, mais la réaction n'avait pas fonctionné comme prévu, laissant une hésitation entre deux structures. La première est l’Acide azélaïque de formule C9H16O4 qui  contient deux fonctions acides, tandis que la seconde est l’acide 10-hydroxydécanoïque C10H20O3  qui possède une fonction acide.

Les contraintes étaient l'absence de RMN et de système de chromatographie, ainsi que l'interdiction d'utiliser des lasers. La spectrométrie de masse était donc le seul outil disponible pour déterminer la structure correcte.

 

Objectif :

L'objectif était d'identifier une molécule de synthèse parmi deux structures possibles en utilisant uniquement la spectrométrie de masse, car la RMN était indisponible.

Stratégie d'analyse :

La clé pour différencier deux molécules de même masse nominale (188 Da) mais de formules brutes différentes résidait dans la mesure de leur masse exacte. Seule la spectrométrie de masse à haute résolution (HR-MS) permet d'obtenir une mesure de masse suffisamment précise (avec une erreur de quelques ppm) pour déterminer sans ambiguïté la formule brute de l'ion détecté, et ainsi identifier la molécule synthétisée. L'absence de chromatographie imposait une introduction directe de l'échantillon (supposé purifié) dans le spectromètre de masse.

 

Choix du mode d'introduction :

En l'absence de système chromatographique, l'Infusion (Carte I5) était la seule méthode d'introduction possible. Elle consistait à introduire directement l'échantillon (dissous dans un solvant approprié) en continu dans la source d'ionisation du spectromètre de masse, typiquement à un débit très faible (quelques µL/min).

 

Choix de la source d'ionisation :

Il fallait choisir une source adaptée à l'infusion et aux molécules polaires ciblées (acides carboxyliques/alcool). Les principales options pour l’introduction d’un échantillon liquide sont  l'Electrospray (ESI) (Carte S6) ou l'APCI (Carte S4). L'interdiction des lasers excluait la source MALDI (carte I4), et les sources de la chromatographie en phase gazeuse (Cartes S1et  S2) étaient inappropriées.

 

Pour l’ionisation avec la source Electrospray (ESI - S6), les molécules doivent d’abord être ionisée  en phase liquide. Cette source est particulièrement efficace pour les molécules polaires comme celles de la mission (acides), formant facilement l'ion [M-H] −   en mode négatif. Elle Fonctionne de manière optimale aux faibles débits typiques de l'infusion .

La source APCI (carte S4)  nécessite la vaporisation par chauffage, puis l'ionisation en phase gazeuse. Elle est mieux adaptée aux molécules moins polaires et/ou aux débits plus élevés (débit supérieurs à100 µL/min) pour une nébulisation/vaporisation optimale. Aux faibles débits de l'infusion, l'APCI est inefficace et instable.

Conclusion du choix : Étant donné les molécules polaires et surtout le mode d'introduction par Infusion (I5) à faible débit, l'ESI (S6) était le seul choix techniquement viable et le plus adapté. L'APCI (S4) aurait été inefficace et inappropriée dans ces conditions de faible débit.

 

Choix de l’analyseur:

 

C'était le choix le plus important pour cette mission. Cette mission nécessitait en effet un analyseur de haute résolution. La carte solution était l'Orbitrap (Carte A4). Les autres configurations d’analyseurs n’étaient pas possible par rapport aux crédits disponibles. Mais Pourquoi ne pas avoir choisi le Temps de Vol (TOF - Carte A3) qui était possible avec le nombre de crédit disponible  ? Pour répondre à cette question,  il fallait calculer la résolution nécessaire pour séparer les deux molécules.

Il faut d’abord calculer les masses exactes des deux molécules. L’acide azélaïque de formule C9H16O4 a une masse exacte de 187.097 dalton alors que l’acide 10-hydroxydécanoïque (C10H20O3) a une masse exacte de   187.1334 dalton.

La différence de masse (Δm) entre ces deux ions était donc de 187.1340−187.0976 soit 0.0364 Dalton.

Ainsi La résolution minimale requise (R), définie comme R=m/Δm, était donc de 187.1334/0.0364≈5143.

 

Or, la carte A3 (TOF) indiquait une résolution maximale de 5000. Comme la résolution requise (5143 ) était supérieure à la résolution maximale du TOF (5000), cet analyseur n'était pas suffisant pour séparer les deux ions.

Il fallait donc impérativement un analyseur de plus haute résolution. L'Orbitrap (A4), capable de résolutions très élevées (> 75000), permettait largement de faire cette distinction.

 Les analyseurs basse résolution (A1 Quadripôle, A2 Trappe d'ions) étaient également insuffisants, ainsi que les combinaisons triples quadripôles et Q-ion trappes.

 

 

 

 

Choix du mode de balayage:

 

Le mode « Full Scan  (Carte B1 ») devait être utilisé. Pour déterminer la masse exacte d'un composé, il était nécessaire d'acquérir le spectre de masse complet haute résolution pour mesurer précisément le m/z de l'ion [M-H]− et observer ses éventuels adduits.

 

Choix des paramètres expérimentaux / Traitement des données :

Aucune carte spécifique n'était requise par la solution pour ces étapes.

  • Paramètres : Des conditions standards pour l'infusion ESI-Orbitrap auraient été utilisées, en polarité négative.
  • Traitement : L'étape clé était l'extraction de la masse exacte mesurée pour l'ion d'intérêt à partir du spectre Full Scan HRMS et sa comparaison aux masses exactes théoriques des deux structures candidates (erreur en ppm) pour identifier la bonne formule brute.

Conclusion :

Face aux contraintes, la combinaison de l'Infusion (I5), de l'ionisation Electrospray (S6), d'un analyseur à haute résolution Orbitrap (A4) (le TOF A3 étant insuffisant) et d'une acquisition en Full Scan (B1) était la stratégie adéquate. La mesure de la masse exacte permettait de déterminer la formule brute et d'identifier la structure correcte.

Choix des cartes qui devaient être faits :

  • Mode d'introduction : I5 (Infusion)
  • Source d'ionisation : S6 (Electrospray)
  • Analyseur : A4 (Orbitrap)
  • Mode de balayage : B1 (Full Scan)
  • Paramètres expérimentaux : Aucun
  • Traitement de données : Aucun