La spectroscopie consiste à déterminer la structure des molécules en observant le spectre obtenu lorsque elles interagissent avec les ondes électromagnétiques.

Tableau présentant les types d'ondes e.m. utilisées en spectroscopie

Wikipedia article sur la spectroscopie

Voici une vidéo du site http://www.universcience.tv intitulée La nature au labo qui montre les étapes du travail de laboratoire de l'Institut de Chimie des Substances Naturelles qui:

  1. Recherche des molécules thérapeutiques dans les plantes,
  2. puis les isole,
  3. les identifie grâce aux techniques de spectroscopie,
  4. et enfin recherche les méthode de synthèse.

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La spectroscopie UV-visible

Vous avez vu en première S que les molécules colorées absorbent dans le domaine visible en raison de la présence de liaisons doubles conjuguées. Les autres molécules, incolores absorbent dans l'UV.

Un spectrophotomètre permet de mesurer l'absorbance d'une solution en fonction de la longueur d'onde.

Copie d'écran de la simulation Hachette sur le spectre du permanganate de potassium

Spectres d'absorption UV-vis des colorants alimentaires :

Spectre d'absorption et couleur

Si la solution n'absorbe que dans un seul domaine de longueurs d'onde, sa couleur est complémentaire de celle des radiations absorbées.

Disque chromatic

Couleur des colorants alimentaires

Donner les couleurs des deux colorants alimentaires E103 et E131.

Absorbance et concentration: loi de Beer-Lambert

Lien vers l'animation Hachette sur le dosage par étalonnage

Pour des solutions suffisamment diluées, l'absorbance est proportionnelle à la concentration de l'espèce chimique colorée. C'est la loi de Beer-Lambert.

A=ϵ l cA=\epsilon\ l\ c

Notations

  • AA: Absorbance de la solution (sans unité)
  • ϵ\epsilon: Coefficient d'extinction molaire (Lmol1cm1L\cdot mol^{-1}\cdot cm^{-1})
  • ll: largeur de la cuve (cmcm)
  • cc: concentration molaire de l'espèce colorée molL1mol \cdot L^{-1}
Dosage par étalonnage du diiode (Pondichery 2012)

La courbe d’étalonnage de l’absorbance en fonction de la concentration molaire C en diiode est fournie en annexe.

Dosage du diiode d'après Pondichery 2012

  1. La courbe d’étalonnage obtenue est-elle en accord avec la loi de Beer-Lambert? Justifier.

On mesure l'absorbance de la solution S: A = 0,78.

  1. Déterminer graphiquement la concentration molaire $C_{S exp} en diiode de la solution S.

La spectroscopie infrarouge (IR)

La spectroscopie IR permet de mettre en évidence les types de liaisons présentes, et ainsi les groupes fonctionnels de la molécule.

Lecture d'un spectre IR

Un spectre IR représente:

  • En ordonnée la transmittance, ou parfois l'absorbance. (Une faible transmittance correspond à une grande absorbance)
  • en abscisse le nombre d'onde σ\sigma, exprimé usuellement en cm1cm^{-1}. L'axe est généralement orienté vers la gauche.
σ=1λ\sigma = \frac{1}{\lambda}

spectre infra-rouge de l'éthanol en phase gazeuse

Spectroscopie IR et vibrations

Les bandes d'absorption d'un spectre sont dues au fait que les molécules de l'échantillon se mettent en vibration sous l'effet des ondes IR, il existe divers types de vibrations possibles. Divers modes de vibrations des groupes d'atomes CH2 Wikipedia article sur la spectroscopie infra-rouge

Un spectre IR communément décomposé en deux zones :

spectre infra-rouge de l'éthanol avec les 2 zones

  • σ1500 cm1\sigma \geq 1500\ cm^{-1} : Zone des groupes fonctionnels

Elle permet de déterminer les types de liaisons présentes, et ainsi les groupes fonctionnels de la molécule.

Valeurs approximatives des bandes d'absorption IR

IR-spectroscopy-sample

  • σ<1500 cm1\sigma < 1500\ cm^{-1} : Empreinte digitale de la molécule

Cette zone contient un grand nombre de bandes d'absorption qui permet d'identifier une molécule à partir d'un spectre de référence.

Mise en évidence de liaisons hydrogène

La position, l'intensité et la forme des bandes d'absorption dépend également de l'environnement de la molécule. Il est ainsi possible de mettre en évidence des liaisons hydrogène sur un spectre IR.

Par exemple, la bande de la liaison -OH est fortement modifiée en présence de liaison hydrogène( en phase condensée). Cette bande est:

  • fine à 3600-3700 cm1cm^{-1} en phase gazeuse,
  • large à 2500-3400 cm1cm^{-1} en phase condensée.

spectre infra-rouge de l'éthanol en solution

spectre infra-rouge de l'éthanol en phase gazeuse

Spectroscopie RMN du proton

Voici une vidéo de la maison de la chimie montrant comment les méthodes de spectroscopie IR et RMN peuvent être utilisées pour identifier de façon complète une molécule.

Thumbnail of Youtube video swvc0fQL5RQ

  • La spectroscopie IR permet d'identifier les groupes caractéristiques de la molécule.
  • La spectroscopie RMN du proton permet de déterminer l'environnement des atomes d'hydrogène de la molécule, et donc indirectement la structure de sa chaîne carbonée.

Protons équivalents et signaux

Un spectre RMN présente des signaux correspondant aux atomes d'hydrogène de la molécule.

Chaque signal, est caractérisé par son déplacement chimique δ, exprimé en ppm(parties par million).

Formule développée du méthanoate de méthyle

Spectre RMN du méthanoate d'éthyle

Protons équivalents

Des protons qui ont le même environnement chimique dans une molécule sont équivalents. Ils ne forment qu'un signal sur le spectre RMN

  • CH3CH2OH\sf CH_{3}-CH_{2}-OH a 3 groupes de protons équivalents.
  • CH3CO2H\sf CH_{3}-CO_{2}H: a 2 groupes de protons équivalents.
  • CH3COCH3\sf CH_{3}-CO-CH_{3}: a 1 groupe de protons équivalents.
Tables de données RMN

Le déplacement chimique d'un groupe de protons dépend de son environnement. Plus un atome d'hydrogène est proche d'un atome électronégatif, et plus son déplacement chimique est élevé. Des tables de données rassemblent les déplacements chimiques mesurés.

données spectroscopiques données lors du BAC 2013 à Pondichery BAC 2013 Pondichéry

Prédictions de spectres

L'école polytechnique fédérale de Lausanne propose un service de prédictions de spectre RMN à l'adresse suivante: http://www.nmrdb.org/new_predictor/

Courbe d'intégration et nombre de protons équivalents

Parfois les spectres présentent une courbe d'intégration formée de paliers. La hauteur du saut créé par un signal est proportionnelle au nombre de protons présents dans ce signal.

Le méthanoate d'éthyle HCO2CH3\sf HCO_{2}-CH_{3} présente deux signaux dont les hauteurs relatives sont 1-3 sur la courbe d'intégration.

Multiplicité du signal et voisins

Le signal n'est pas toujours un pic fin et unique, il peut comporter plusieurs pics et est alors appelé multiplet.

Formule développée de l'éthanoate d'éthyle Spectre RMN de l'éthanoate d'éthyle

Le nombre de pics du signal dépend du nombre de protons voisins.

Protons voisins

Des protons sont voisins s'ils sont portés par des atomes voisins.

Règle des (n+1)-uplets:

Un groupe de protons équivalents ayant n protons voisins présente un signal sous la forme d'un multiplet de (n+1) pics.