Caractérisation d`un copolymère AMA-MAMA par - SACS-LCP

Caractérisation d’un copolymère AMA-MAM par
Spectrométrie de Masse
Rémi Giordanengo,1 Stéphane Viel,2 Manuel Hidalgo,3 Béatrice Allard-Breton,3 André Thévand 1 and Laurence Charles1
1
Universités Aix-Marseille I, II & III – CNRS, UMR 6264 : Laboratoire Chimie Provence, Spectrométries Appliquées à la Chimie Structurale, Marseille, France
2 Université Paul Cézanne - CNRS, UMR 6263 : Institut des Sciences Moléculaires de Marseille, Chimiométrie et Spectrométries, Marseille, France
3 ARKEMA, Centre de Recherche Rhône Alpes, Service Analyse, Pierre-Bénite, France
Résumé
Introduction
Les copolymères sont des entités macroscopiques dont les propriétés diffèrent selon la nature des monomères constitutifs, leur
agencement au sein de la chaîne polymérique ou encore leur taille.
Les copolymères à blocs et statistiques sont d’un grand intérêt dans de nombreux domaines de recherche. Puisque
la performance de tels matériaux est étroitement associée aux paramètres structuraux (nature à blocs ou
statistique), la caractérisation complète de leur microstructure est primordiale.
Depuis le développement des techniques d’ionisation douce, la spectrométrie de masse est devenue un outil puissant pour la
caractérisation de la microstructure des polymères synthétiques. Un seul spectre de masse permet, par exemple, de déterminer la
nature des unités monomériques, de confirmer la nature des groupements terminaux ou même de distinguer un homopolymère
d’un copolymère [1]. Si les données obtenues à partir du spectre de masse peuvent indiquer le nombre d’unités monomériques de
chaque co-monomère, elles ne permettent pas, en revanche, de déterminer la position de chaque unité répétitive au sein de la
molécule et ainsi de différencier un copolymère à blocs d’un copolymère statistique [2]. Il est alors nécessaire de mettre en place
des expériences MS/MS pour approfondir l’analyse de la microstructure de tels composés.
Une stratégie pour déterminer ces paramètres s’appuie sur la spectrométrie de masse en tandem après ionisation
electrospray, puisque des polymères de nature différente se distinguent par des comportements MS/MS différents.
Dans cette étude, les règles de dissociation du poly(acide méthacrylique) (PAMA) ont été établies pour ensuite être
utilisées lors de la caractérisation de copolymères contenant un segment PAMA. Les principales réactions de
fragmentation correspondent à des pertes de molécules d’eau et de méthanol, leur nombre pouvant être corrélé à la
position respective des unités AMA et MAM dans l’ion co-oligomère fragmenté, ce qui permet de distinguer les
copolymères à blocs des copolymères statistiques.
En parallèle, l’ionisation electrospray peut induire un biais important vers les basses
masses moléculaires [3], notamment dans le cas de copolymères acryliques. De plus,
leur ionisation en MALDI est rendue très difficile voire impossible du fait de leur
caractère amphiphile. Il est alors indispensable de mettre en place une stratégie
permettant de pallier les problèmes rencontrés afin de pouvoir déterminer les
paramètres de distribution de ces copolymères.
Bien que très informative, la technique d’ionisation electrospray induit un fort biais vers les basses masses
moléculaires, ce qui rend le calcul des paramètres de distribution totalement incohérent. En parallèle, l’ionisation
MALDI de tels copolymères est rendue très difficile du fait de leur nature amphiphile. Une stratégie consistant à
dérivatiser chaque unité AMA du copolymère pour produire un homopolymère PMAM, pour lequel les conditions
expérimentales en MALDI sont établies, a donc été envisagée. Cette réaction de méthylation, par le
triméthylsilyldiazométhane, a été testée sur divers homopolymères PAMA (1k à 6k Da), puis appliquée avec succès
au copolymère AMA-MAM. Les masses moléculaires moyennes en masse Mw ont ainsi pu être atteintes.
Le but de cette étude a donc été de caractériser complètement, par spectrométrie de
masse, des copolymères AMA-MAM, dont la structure est présentée ci-joint.
Avant dérivatisation : Analyse Microstructurale
2. Analyse ESI(-)-MS/MS du copolymère AMA-MAM
 L’analyse ESI(-)-MS a permis d’une part, de révéler la présence d’ions co-oligomères doublement chargés et d’autre part, de valider la
nature des groupements terminaux, obtenue après analyses RMN, par obtention de la somme de leur masse mX + mY.
1. Règles de dissociation des oligomères PAMA en ESI mode négatif [4]
 Le spectre MS/MS de l’ion m/z 671, de composition AMA9-MAM3,
est illustré ici.
n pair
Pour le cas d’oligomères doublement chargés :
 Déshydratation :
Jusqu’à 4 étapes → au moins 4 paires AMA/AMA = 8 AMA
 Déshydratation (réaction majoritaire) :
élimination de (n-2)/2 molécules d’H2O
n monomères
 Elimination de méthanol :
Jusqu’à 3 étapes → au moins 3 paires AMA/MAM = 3 AMA + 3 MAM
- 18 Da
O
O HO
- H2O
O
O
O
[5]
n impair
O
- 32 Da
H
O
n approché à une unité près
O
H3CO
O
- CH3OH
O
O
O
H
révèle la nature statistique du copolymère
+ Abondance de l’ion fragment totalement déshydraté
 A de plus hautes énergies de collision, l’analyse MS/MS permet également une confirmation
structurale des groupements terminaux
détermination précise de n
Après dérivatisation : Détermination des paramètres de distribution
1. Stratégie
 Transformer un copolymère AMA-MAM en
homopolymère PMAM, afin de s’affranchir du
caractère amphiphile du copolymère qui
affecte l’ionisation en MALDI
 Utilisation du Triméthylsillyldiazométhane
comme agent de méthylation
 La réaction de méthylation est d’abord
testée sur des homopolymères PAMA puis
appliquée au cas des copolymères AMA-MAM
[6]
3. Méthylation des copolymères AMA-MAM
Méthylation des fonctions acides acryliques par
ajout de triméthylsilyldiazométhane :
O
CH
N
H2
C
Si
N
OH
Si
Avant méthylation : aucun signal MALDI détecté
O
Si
R
(i;j) indique l’élimination de i molécules
d’H2O et de j molécules de MeOH
R
N
N
N
N
N
N
N
Après méthylation : 3 mL de réactif de méthylation sont ajoutés
(suivant le protocole décrit dans la section expérimentale)
O
CH3OH
Si
O
H3C
H2
C
O
H3C
 Obtention d’un signal MALDI
O
N
N2
R
O
R
 La distribution attendue pour le copolymère méthylé est
majoritaire (série 1) : toutes les fonctions acides
carboxyliques (chaîne polymérique et groupements
terminaux) ont été méthylées.
CH3
2. Méthylation des homopolymères PAMA
PAMA 1.7 k
PMAM 1.7 k
 Calcul du paramètre Mw :
Copolymères méthylés
Avant méthylation:
Après méthylation:
- spectre MALDI(+)-MS compliqué de par la présence
de nombreuses distributions polymériques [M + Na]+,
[M – H + 2Na]+, [M – 2H + 3Na]+
- la production d’adduits sodium requiert une
puissance laser élevée (65%)
- une seule distribution de PMAM (1.7k) est obtenue,
indiquant que toutes les fonctions acides du PAMA
ont été méthylées
- puissance laser faible (<40%) et obtention d’un bon
rapport signal sur bruit
Procédure de méthylation testée avec succès sur des PAMA de tailles différentes (1.2k à 6.6k Da)
PAMA
PAMA méthylés (PMAM)
Standard
MwMALDI
MwMALDI
MwPGSE
1
1132
1231
1452
2
1487
1634
1701
3
1951
2579
2928
4
4546
5620
6311
Bilan Mw
Ecart < 15 % entre Mw MALDI et Mw PGSE pour
les 4 hopolymères PAMA méthylés testés
Section Expérimentale
Spectrométrie de Masse
Les analyses en ionisation electrospray mode négatif ont été effectuées avec un
spectromètre de masse Qstar Elite (Applied Biosystems SCIEX). Dans cet instrument
hybride, les ions sont mesurés grâce à un analyseur à temps de vol à accélération
orthogonale (oa-TOF). Un quadripôle permet de sélectionner les ions précurseurs
soumis à dissociation induite par collision (CID) dans les expériences MS/MS.
Les spectres de masse MALDI-TOF-MS ont été obtenus avec un spectromètre de
masse Autoflex Bruker utilisé en mode réflectron, équipé d’un laser à azote (λ = 337
nm).
Méthylation du copolymère AMA-MAM
Le copolymère (50 mg) est tout d’abord dissous sous agitation dans un mélange
MeOH/H2O (19:1, v/v) pendant 2 heures. Le triméthylsilyldiazométhane est ensuite
ajouté et le mélange est agité à température ambiante durant 3 heures. Le mélange
réactionnel est enfin séché à l’étuve (30 C) pendant 12 heures. Le solide ainsi
obtenu est dissous dans le méthanol pour une analyse en masse.
 Deux séries minoritaires notées 2 et 3
correspondent également à des distributions de PMAM
et seraient des sous-produits issus de la réaction de
méthylation.
AMA/MAM
MwMALDI
MwPGSE
40 / 60
3915
4678
50 / 50
4374
5180
Ecart ~ 16% entre Mw MALDI et
Mw PGSE pour les deux
copolymères méthylés testés
 Des oligomères de ces deux séries ont été soumis à
des analyses ESI-MS/MS et permettent de proposer les
structures suivantes, validées par des mesures de
masse exacte :
Série 2
Série 3
 Lorsque le triméthylsilyldiazométhane est additionné
en large excès (5,5 mL), ces deux distributions (séries
2 et 3) dominent le spectre de masse MALDI au
détriment de la distribution attendue, validant ainsi leur
origine.
Conclusion
Avant méthylation
 ESI-MS permet la confirmation de la
nature des groupements terminaux
 ESI-MS/MS permet d’identifier la
nature statistique du copolymère
Après méthylation
 MALDI-MS permet la détermination
des paramètres de distribution
Références
[1] Montaudo, M. S. Mass Spectrometry Reviews 2002, 21, (2), 108-144.
[2] Jackson, A. T.; Scrivens, J. H.; Williams, J. P.; Baker, E. S.; Gidden, J.; Bowers, M. T. International Journal of
Mass Spectrometry 2004, 238, (3), 287-297.
[3] Leenheer, J. A.; Rostad, C. E.; Gates, P. M.; Furlong, E. T.; Ferrer, I. Analytical Chemistry 2001, 73, 14611471.
[4] Giordanengo, R.; Viel, S.; Allard-Breton, B.; Thévand, A.; Charles, L. Journal of the American Society for Mass
Spectrometry 2009, 20, 25-33.
[5] Giordanengo, R.; Viel, S.; Hidalgo, M.; Allard-Breton, B.; Thévand, A.; Charles, L. Analytica Chemica Acta
2009, DOI: 10.1016/j.aca.2009.06.044.
[6] Giordanengo, R.; Viel, S.; Hidalgo, M.; Allard-Breton, B.; Thévand, A.; Charles, L. Analytical Chemistry 2009,
soumis pour publication.
Remerciements
Cette étude a bénéficié du soutien financier de la société ARKEMA
et a pu être réalisée grâce aux moyens techniques du Spectropôle,
service commun d'analyses des Universités d'Aix-Marseille, qui
nous a donné un accès privilégié au parc instrumental acquis grâce
à des fonds européens (FEDER OBJ2142-3341).
… pour plus d’informations : [email protected]