Spectroscopie Avancee — UV-Vis, IR, RMN, MS
Duree : 60 min · Difficulte : ⭐⭐⭐⭐
Objectifs du cours
- •Comprendre le principe de l interaction lumiere-matière en spectroscopie
- •Maitriser la spectroscopie UV-Visible et la loi de Beer-Lambert (A = epsilon × l × c)
- •Identifier les groupements fonctionnels par spectroscopie IR
- •Interpreter les spectres RMN 1H et 13C (deplacement chimique, couplage)
- •Comprendre la spectrometrie de masse (fragmentation, pic moleculaire)
- •Appliquer ces techniques a l identification et au controle qualite
I. Principe de la Spectroscopie
La spectroscopie est l étude de l interaction entre la lumiere (ou plus generalement le rayonnement electromagnetique) et la matière. Lorsqu un rayonnement traverse ou est absorbe par une substance, il fournit des informations precieuses sur sa structure moleculaire.
Spectre electromagnetique et techniques associees
Rayons X
Diffraction X
UV
Transitions electroniques
Visible
Colorimetrie
IR
Vibrations
Micro-ondes
Rotations
Ondes radio
RMN
L energie d un photon est liee a sa frequence par la relation de Planck :
E = h × nu = h × c / lambda
E : energie du photon (J)
h : constante de Planck (6,626 × 10⁻³⁴ J·s)
nu : frequence (Hz) · c : vitesse de la lumiere (3 × 10⁸ m/s)
lambda : longueur d onde (m)
Principe cle
Une molecule n absorbe un photon que si son energie correspond exactement a une transition energetique possible (electronique, vibrationnelle, de spin...). C est la quantification de l energie.
II. Spectroscopie UV-Visible
1. Principe
La spectroscopie UV-Visible etudie l absorption de la lumiere dans le domaine ultraviolet (200-400 nm) et visible (400-800 nm). Cette absorption provoque des transitions electroniques : les electrons passent d une orbitale de basse energie (fondamentale) vers une orbitale de haute energie (excitee).
Chromophores
Les chromophores sont les groupements responsables de l absorption UV-Visible. Ce sont principalement des systemes a electrons pi (liaisons doubles, aromatiques) ou des atomes avec des doublets non liants.
| Chromophore | Transition | lambda max (nm) |
|---|---|---|
| C=C (ethylene) | pi → pi* | ~170 |
| C=O (aldehyde) | n → pi* | ~290 |
| C=O (cetone) | n → pi* | ~280 |
| Benzene | pi → pi* | ~254 |
| Naphthalene | pi → pi* | ~312 |
| N=N (azo) | n → pi* | ~340 |
2. Loi de Beer-Lambert
La loi de Beer-Lambert etablit une relation lineaire entre l absorbance d une solution et sa concentration.
A = epsilon × l × c
A : Absorbance (sans unite)
epsilon : Coefficient d extinction molaire (L·mol⁻¹·cm⁻¹)
l : Trajet optique / epaisseur de la cuve (cm)
c : Concentration molaire (mol·L⁻¹)
Relation absorbance-transmittance
A = -log(T) = log(I₀/I)
T = I/I₀ (transmittance) avec I₀ : intensite incidente, I : intensite transmise
Conditions de validite
La loi de Beer-Lambert n est valide que pour : solutions diluees (c < 0,01 mol/L), lumiere monochromatique, espece chimique stable, absence de diffusion. Les ecarts a la linearite apparaissent a haute concentration.
3. Applications
Dosage par etalonnage
- • Tracer A = f(c) avec des solutions etalons
- • Mesurer A de l echantillon inconnu
- • Determiner c par lecture graphique
Suivi cinetique
- • Mesurer A(t) au cours du temps
- • Determiner la vitesse de reaction
- • Calculer l ordre de reaction
III. Spectroscopie Infrarouge (IR)
1. Principe
La spectroscopie IR etudie l absorption dans le domaine infrarouge (400-4000 cm⁻¹). Cette absorption provoque des vibrations moleculaires : elongation (stretching) et deformation (bending) des liaisons.
Types de vibrations moleculaires
Elongation symetrique
← A — B →
Elongation asymetrique
← A — B ←
Cisaillement
↑ A ↓
Rotation
↺ A ↻
Nombre d onde (sigma) = 1 / lambda
Unite : cm⁻¹ (inverse du centimetre) · Plus sigma est grand, plus l energie est élèvee
2. Table des bandes d absorption IR
Chaque groupement fonctionnel absorbe a une frequence caracteristique. Cette empreinte moleculaire permet d identifier les fonctions presentes.
| Liaison / Groupe | Nombre d onde (cm⁻¹) | Intensite | Aspect |
|---|---|---|---|
| Liaisons O-H et N-H (3200-3600 cm⁻¹) | |||
| O-H alcool libre | 3580-3650 | Forte | Fine |
| O-H alcool lie (H-bond) | 3200-3400 | Forte | Large |
| O-H acide carboxylique | 2500-3300 | Forte | Tres large |
| N-H amine primaire | 3300-3500 | Moyenne | 2 bandes |
| N-H amine secondaire | 3300-3400 | Moyenne | 1 bande |
| N-H amide | 3100-3500 | Moyenne | Large |
| Liaisons C-H (2800-3100 cm⁻¹) | |||
| C-H aromatique / alcene | 3000-3100 | Moyenne | Fine |
| C-H alcane (sp³) | 2850-2970 | Forte | Plusieurs bandes |
| C-H aldehyde | 2700-2850 | Faible | 2 bandes fines |
| Liaison C≡ triple (2100-2300 cm⁻¹) | |||
| C≡C alcyne | 2100-2260 | Faible | Fine |
| C≡N nitrile | 2200-2260 | Moyenne | Fine |
| Liaison C=O carbonyle (1650-1800 cm⁻¹) - TRES CARACTERISTIQUE | |||
| C=O ester | 1735-1750 | Forte | Fine |
| C=O aldehyde | 1720-1740 | Forte | Fine |
| C=O cetone | 1705-1725 | Forte | Fine |
| C=O acide carboxylique | 1700-1725 | Forte | Fine |
| C=O amide | 1640-1690 | Forte | Fine |
| Autres liaisons | |||
| C=C alcene | 1620-1680 | Variable | Fine |
| C=C aromatique | 1450-1600 | Variable | Plusieurs bandes |
| C-O alcool, ether, ester | 1000-1300 | Forte | Large |
Methode d analyse d un spectre IR
- Zone 3200-3600 cm⁻¹ : presence de O-H ou N-H ?
- Zone 1650-1800 cm⁻¹ : presence de C=O ?
- Zone 2700-2850 cm⁻¹ : doublet de l aldehyde ?
- Autres zones caracteristiques selon hypotheses
- Confirmer avec la formule brute et autres spectres
IV. Spectroscopie RMN (Resonance Magnetique Nucleaire)
1. Principe
La RMN exploite les proprietes magnetiques de certains noyaux atomiques (¹H, ¹³C, ¹⁹F, ³¹P...). Places dans un champ magnetique intense B₀, ces noyaux absorbent des ondes radio a des frequences specifiques et entrent en resonance.
Principe de la RMN
Echantillon
dans B₀
Ondes radio
excitation
Resonance
absorption
Signal
spectre
2. Deplacement chimique (delta)
Le deplacement chimique (delta, en ppm) caracterise la position du signal sur le spectre. Il depend de l environnement electronique du noyau : plus un proton est desblinde (electrons retires par des atomes electronegatiFs), plus delta est grand.
delta = (nu - nu_ref) / nu_ref × 10⁶ ppm
Reference : TMS (tetramethylsilane) = 0 ppm
Table des deplacements chimiques RMN ¹H
| Type de proton | delta (ppm) | Exemple |
|---|---|---|
| R-CH₃ (alkyle) | 0,8 - 1,0 | ethane CH₃-CH₃ |
| R-CH₂-R | 1,2 - 1,4 | propane |
| R₃C-H | 1,4 - 1,7 | isobutane |
| C=C-CH₃ (allylique) | 1,6 - 2,0 | propene |
| R-CO-CH₃ | 2,0 - 2,5 | acetone |
| N-CH₃ | 2,2 - 2,9 | trimethylamine |
| O-CH₃ | 3,3 - 3,8 | methanol |
| Cl-CH, Br-CH | 3,5 - 4,2 | chloroforme |
| O-CO-CH (ester) | 3,5 - 4,5 | acetate d ethyle |
| =CH₂, =CH- (alcene) | 4,5 - 6,5 | ethene |
| Ar-H (aromatique) | 6,5 - 8,5 | benzene |
| R-CHO (aldehyde) | 9,0 - 10,0 | acetaldehyde |
| R-COOH (acide) | 10 - 12 | acide acetique |
| R-OH (alcool) | 1 - 5 (variable) | ethanol |
| R-NH₂ | 1 - 3 (variable) | aniline |
3. Couplage spin-spin (multiplicite)
Les protons voisins (sur carbones adjacents) interagissent magnetiquement, ce qui eclate les signaux en plusieurs pics. C est le couplage spin-spin.
Regle des (n+1) pics
Un proton couple avec n protons equivalents voisins donne un signal de (n+1) pics
Singulet
Doublet
Triplet
Quadruplet
Quintuplet
Exemple : Ethanol CH₃-CH₂-OH
- CH₃ (3H) : couple avec 2H voisins (CH₂) → triplet vers 1,2 ppm
- CH₂ (2H) : couple avec 3H voisins (CH₃) → quadruplet vers 3,7 ppm
- OH (1H) : singulet large vers 2-3 ppm (echange rapide)
4. Integration
L aire sous chaque signal (courbe d integration) est proportionnelle au nombre de protons equivalents. On peut donc determiner les rapports stœchiometriques.
5. RMN ¹³C
La RMN du carbone-13 (1,1% d abondance naturelle) est complementaire de la RMN ¹H. Elle donne un signal par carbone chimiquement different, sans couplage ¹³C-¹³C (trop rare) et souvent decouple des protons.
| Type de carbone | delta (ppm) |
|---|---|
| C-sp³ (alkyle) | 0 - 50 |
| C-O (alcool, ether) | 50 - 90 |
| C=C (alcene) | 100 - 150 |
| C aromatique | 110 - 160 |
| C≡N (nitrile) | 115 - 125 |
| C=O (aldehyde, cetone) | 190 - 220 |
| C=O (acide, ester, amide) | 160 - 185 |
V. Spectrometrie de Masse (MS)
1. Principe
La spectrometrie de masse n est pas une spectroscopie (pas d interaction lumiere-matière) mais une technique d analyse de la masse des molecules et de leurs fragments. Elle permet de determiner la masse molaire et d obtenir des informations structurales.
Schema du spectrometre de masse
1. Ionisation
M → M⁺• (ion moleculaire)
2. Acceleration
champ electrique
3. Separation
selon m/z
4. Detection
spectre de masse
2. Lecture d un spectre de masse
Pic moleculaire (M⁺•)
Correspond a l ion moleculaire intact. Sa valeur m/z donne la masse molaire de la molecule.
Pic de base (100%)
Le pic le plus intense du spectre. L intensite des autres pics est exprimee en pourcentage relatif a celui-ci.
3. Fragmentation
L ion moleculaire, instable, peut se fragmenter en perdant des groupements caracteristiques. Ces pertes permettent d identifier les fonctions presentes.
| Perte de masse | Fragment perdu | Fonction suggeree |
|---|---|---|
| 15 | CH₃• | Methyle |
| 17 | OH• | Alcool |
| 18 | H₂O | Alcool, acide |
| 28 | CO ou C₂H₄ | Carbonyle ou ethyle |
| 29 | CHO• ou C₂H₅• | Aldehyde ou ethyle |
| 31 | OCH₃• | Ether methylique, ester |
| 43 | CH₃CO• ou C₃H₇• | Acetyle ou propyle |
| 44 | CO₂ | Acide carboxylique, ester |
| 45 | OC₂H₅• ou CHO₂• | Ester ethylique, acide |
| 77 | C₆H₅• | Phenyle (aromatique) |
4. Pics isotopiques
Certains elements ont des isotopes stables detectables :
Chlore
M et M+2 (ratio 3:1)
³⁵Cl (75%) et ³⁷Cl (25%)
Brome
M et M+2 (ratio 1:1)
⁷⁹Br (50%) et ⁸¹Br (50%)
Carbone
M et M+1
¹²C (98,9%) et ¹³C (1,1%)
VI. Applications en Analyse
🔬 Identification de molecules
- • Combiner UV-Vis, IR, RMN, MS
- • Comparer avec des spectres de reference
- • Determination de structure inconnue
- • Verification de purete
💊 Industrie pharmaceutique
- • Controle qualite des medicaments
- • Dosage des principes actifs (UV-Vis)
- • Identification des impuretes
- • Suivi de synthese
🧪 Chimie analytique
- • Dosages en solution (Beer-Lambert)
- • Analyse qualitative (IR, RMN)
- • Couplage GC-MS, LC-MS
- • Analyse de traces
🌍 Environnement
- • Detection de polluants
- • Analyse des eaux
- • Controle de l air
- • Identification de pesticides
Strategie d identification d une molecule inconnue
- Spectrometrie de masse : determiner M (masse molaire) et formule brute
- IR : identifier les groupements fonctionnels (O-H, C=O, N-H...)
- RMN ¹H : nombre de signaux (environnements H), multiplicite, integration
- RMN ¹³C : nombre de carbones, types (sp³, sp², C=O...)
- UV-Vis : confirmer la presence de chromophores (aromatique, C=O conjugue)
- Synthese : proposer une structure coherente avec toutes les donnees
📊 Chiffres cles a retenir
A = epsilon lc
Loi Beer-Lambert
1700 cm⁻¹
C=O en IR
7 ppm
H aromatique
n+1
Regle couplage RMN
📝 Resume
- UV-Visible : transitions electroniques, loi de Beer-Lambert A = epsilon lc, dosages
- IR : vibrations moleculaires, identification des groupements fonctionnels (O-H, C=O, N-H...)
- RMN ¹H : environnement des protons, deplacement chimique (ppm), couplage (n+1 pics), integration
- RMN ¹³C : types de carbones, nombre de carbones non equivalents
- Spectrometrie de masse : masse molaire (pic M⁺), fragmentation, pics isotopiques
- Applications : identification structurale, controle qualite, dosages, suivi de reaction
🧠 Teste tes connaissances
1. Quelle technique permet de determiner la masse molaire d une molecule ?
→ Spectrometrie de masse (pic moleculaire M⁺)
2. Une bande intense a 1715 cm⁻¹ en IR indique quel groupement ?
→ C=O carbonyle (aldehyde, cetone, acide ou ester)
3. Un triplet en RMN ¹H signifie que le proton est couple avec combien de voisins ?
→ 2 protons voisins equivalents (regle n+1 : 2+1 = 3 pics)
4. Quelle est la formule de la loi de Beer-Lambert ?
→ A = epsilon × l × c
