Profils isotopiques en spectrométrie de masse : lire M+1, M+2 et les massifs des halogènes
Réponse courte : un profil isotopique est le massif de pics que donne une molécule parce que ses atomes ont plusieurs isotopes. Le carbone ajoute environ 1,1 % de M par carbone à M+1. Un chlore donne M : M+2 ≈ 3 : 1, un brome ≈ 1 : 1, et le soufre ajoute 4,4 % à M+2. CH₂Cl₂ présente 100 : 64 : 10 à m/z 84, 86 et 88. Le calculateur de profil isotopique gratuit calcule le profil exact de toute formule ou SMILES, avec adduits, résolution et comparaison avec votre spectre.
Les termes clés en un coup d'œil
| Profil isotopique | Le massif de pics que donne une molécule dans un spectre de masse parce que ses atomes existent sous différents isotopes. |
|---|---|
| M, M+1, M+2 | M est l'ion monoisotopique. M+1 et M+2 sont plus lourds de 1 et 2 unités de masse. |
| Masse monoisotopique | Masse calculée avec l'isotope le plus abondant de chaque élément. Caféine C₈H₁₀N₄O₂ : 194,0804. |
| Masse moyenne | Masse calculée avec les masses atomiques standard. Caféine : 194,19 g/mol. |
| Masse nominale | Masse entière calculée à partir des isotopes les plus abondants. Caféine : 194. |
| Pouvoir de résolution | R = m/Δm, où Δm est la largeur du pic à mi-hauteur (FWHM). |
Règles empiriques des isotopes
| Élément | Isotope lourd | Abondance naturelle | Effet sur le profil |
|---|---|---|---|
| C | ¹³C | 1.07% | M+1 ≈ 1,1 % de M par carbone |
| N | ¹⁵N | 0.36% | M+1 ≈ 0,37 % par azote |
| O | ¹⁸O | 0.20% | M+2 ≈ 0,2 % par oxygène |
| S | ³⁴S | 4.25% | M+2 ≈ 4,4 % par soufre |
| Cl | ³⁷Cl | 24.24% | M : M+2 ≈ 3 : 1 par chlore |
| Br | ⁸¹Br | 49.31% | M : M+2 ≈ 1 : 1 par brome |
| F, P, I, Na | aucune | 100 % d'un seul isotope | aucun pic supplémentaire |
Avec plusieurs halogènes, développez le binôme. Pour n chlores, le profil vaut approximativement (3 + 1)ⁿ. Deux Cl donnent 100 : 64 : 10, trois Cl 100 : 96 : 31 : 3, deux Br 51 : 100 : 49 et trois Br 34 : 100 : 97 : 32.
Comment se calcule un profil isotopique exact
Chaque élément apporte un petit polynôme : les masses de ses isotopes avec leurs abondances. Pour le chlore, c'est 0,7576 (masse 35) + 0,2424 (masse 37). Une molécule à n atomes de chlore l'élève à la puissance n. Les polynômes de tous les éléments sont ensuite multipliés entre eux. C'est ce qu'on appelle la convolution polynomiale.
Le calculateur de profil isotopique fait ce calcul exactement pour chaque isotope stable de chaque élément et conserve la masse moyenne de chaque pic. Il n'écarte que les termes inférieurs à 10⁻¹² du plus grand. Pour un spectre en mode profil, il conserve aussi la structure fine : des pics qui diffèrent de quelques mDa peuvent se séparer à haut pouvoir de résolution.
Comment utiliser le calculateur de profil isotopique
- Ouvrez le calculateur de profil isotopique.
- Choisissez le Type d'entrée : Formule brute ou SMILES. Tapez-la dans Formule ou SMILES, par exemple
C6H5BrouPt(NH3)2Cl2. - Choisissez le Type d'ion : M+• pour l'IE, [M+H]⁺, [M+Na]⁺ ou [M+K]⁺ pour l'ESI positive, [M−H]⁻ ou [M+Cl]⁻ pour le mode négatif, ou Ion tel qu'écrit pour une formule chargée comme
[Pt(NH3)4]2+. - Lisez les masses monoisotopique, moyenne et nominale, le pic le plus intense et les valeurs M+1 et M+2 avec leurs estimations par les règles empiriques.
- Réglez l'Affichage sur Profil (choisir la résolution) et saisissez un Pouvoir de résolution (m/Δm) pour voir la forme obtenue sur votre instrument.
- Ouvrez Comparer avec un spectre observé, collez vos couples m/z et intensité et lisez le verdict de correspondance. Cliquez sur Charger un exemple pour essayer.
- Enregistrez avec Télécharger en SVG, Télécharger en PNG ou Télécharger le CSV.
Exemples résolus
1. Dichlorométhane, CH₂Cl₂
Les ions ³⁵Cl₂, ³⁵Cl³⁷Cl et ³⁷Cl₂ apparaissent à m/z 84, 86 et 88. Rapport = 0,7576² : 2 × 0,7576 × 0,2424 : 0,2424² = 100 : 64 : 10. Le petit M+1 (1,1 %) provient de l'unique carbone.
2. Bromobenzène, C₆H₅Br
M à m/z 156 et M+2 à m/z 158 dans le rapport 100 : 97,5, car ⁷⁹Br et ⁸¹Br représentent 50,69 % et 49,31 %. M+1 vaut 6,5 %, dû aux six carbones.
3. La caféine en électronébulisation positive
C₈H₁₀N₄O₂ a une masse monoisotopique de 194,0804. L'ajout d'un proton (1,00728) donne [M+H]⁺ à m/z 195,0877. M+1 vaut 10,3 % de M : 8 × 1,08 % pour le carbone plus 4 × 0,37 % pour l'azote.
4. Fullerène C₆₀
Masse monoisotopique 720,0000. Avec 60 carbones, M+1 vaut 65 % et M+2 21 % de M. Au-delà d'environ 90 carbones, M+1 serait plus intense que M.
5. Vancomycine, C₆₆H₇₅Cl₂N₉O₂₄
[M+H]⁺ à m/z 1448,4375. Les 66 carbones portent M+1 à environ 77 % et les deux chlores poussent M+2 à environ 98 % : M, M+1 et M+2 ont donc presque la même hauteur.
6. Cisplatine, Pt(NH₃)₂Cl₂
Le platine a quatre isotopes principaux (¹⁹⁴Pt 32,9 %, ¹⁹⁵Pt 33,8 %, ¹⁹⁶Pt 25,2 %, ¹⁹⁸Pt 7,4 %). Combiné à Cl₂, le massif s'étend de m/z 296 à 306 et le pic le plus intense est à m/z 300, et non au pic monoisotopique 299.
Tableau récapitulatif : ce que révèle le profil
| Ce que vous observez | Cause probable |
|---|---|
| M+1 ≈ 1,1 % × n de M | n atomes de carbone |
| M+2 ≈ 33 % de M | un chlore |
| M+2 ≈ M | un brome |
| M : M+2 : M+4 ≈ 100 : 64 : 10 | deux chlores |
| M : M+2 : M+4 ≈ 1 : 2 : 1 | deux bromes |
| M+2 ≈ 4 à 5 % de M | un soufre |
| Pics isotopiques espacés de 0,5 | un ion 2+ |
| Large massif de nombreux pics | un métal à plusieurs isotopes (Sn, Pt, Hg, Ru, Pd) |
Erreurs courantes
- Comparer un pic ESI à la masse neutre. Ajoutez ou retirez d'abord l'adduit.
- Utiliser la masse moyenne en haute résolution. La SMHR mesure le m/z monoisotopique.
- Supposer que M est toujours le pic le plus intense. Pour les grosses molécules et de nombreux métaux, le pic le plus intense est au-delà de M.
- Oublier la masse de l'électron pour un m/z exact. Elle vaut 0,000549 Da par charge, ce qui compte à l'échelle du ppm.
- Écrire CO pour le cobalt ou CL pour le chlore. Utilisez Co et Cl.
Conseils pour les examens
- A-level et IB : une paire 3 : 1 espacée de deux unités signifie un Cl ; une paire 1 : 1 signifie un Br. Trois pics 1 : 2 : 1 signifient deux Br ; 9 : 6 : 1 signifie deux Cl.
- A-level : nombre de carbones ≈ (hauteur de M+1 / hauteur de M) × 100 / 1,1.
- AP Chemistry : les spectres de masse des éléments donnent directement les abondances isotopiques. Masse atomique moyenne = Σ (masse de l'isotope × fraction).
- JEE et NEET : entraînez-vous à calculer la masse atomique moyenne à partir de données isotopiques, par exemple Cl : 0,7576 × 34,969 + 0,2424 × 36,966 = 35,45.
- Université : utilisez la masse exacte (à 5 ppm près) avec le profil isotopique pour choisir entre des formules candidates, et les pics A+2 pour compter S, Cl et Br.
Vérifiez n'importe quelle formule avec le calculateur de profil isotopique, puis comparez-la à votre spectre dans le visualiseur de spectres de masse.
Questions et réponses
Qu'est-ce qu'un profil isotopique en spectrométrie de masse ?
C'est le groupe de pics que donne une molécule parce que ses atomes existent sous différents isotopes. Les hauteurs relatives de M, M+1, M+2, etc. dépendent des éléments présents et de leur nombre.
Comment reconnaître le chlore et le brome dans un spectre de masse ?
Un chlore donne M et M+2 dans un rapport 3 : 1. Un brome donne M et M+2 dans un rapport 1 : 1. Deux chlores donnent 100 : 64 : 10, et deux bromes environ 1 : 2 : 1.
Comment trouver le nombre d'atomes de carbone à partir du pic M+1 ?
Divisez la hauteur de M+1 (en pourcentage de M) par 1,1. Un M+1 de 11 % correspond à environ 10 carbones. L'azote ajoute environ 0,37 % par atome : soustrayez-le d'abord si N est présent.
Quelle est la masse monoisotopique de la caféine ?
La caféine, C₈H₁₀N₄O₂, a une masse monoisotopique de 194,0804 et une masse moyenne de 194,19. Son ion [M+H]⁺ apparaît à m/z 195,0877.
Pourquoi le pic le plus intense n'est-il pas le pic monoisotopique pour les grosses molécules ?
Chaque carbone a 1,07 % de chances d'être un ¹³C. À partir d'environ 90 carbones, la plupart des molécules contiennent au moins un ¹³C : le pic M+1 devient alors plus intense que M.
Quelle différence entre mode centroïde et mode profil ?
Le mode centroïde affiche un bâton par pic isotopique. Le mode profil montre la forme réelle des pics, dont la largeur est fixée par le pouvoir de résolution, FWHM = m/R : des pics proches se confondent à basse résolution et se séparent à haute résolution.
Pourquoi les pics isotopiques sont-ils espacés de 0,5 pour certains ions ?
L'espacement vaut 1/z. Un ion doublement chargé comme [M+2H]²⁺ a des pics isotopiques espacés de 0,5 m/z, et un ion triplement chargé des pics espacés de 0,33.