Cours sur l'analyse spectrale - physique-chimie terminale S

Sylvie

Description

Partie Observer : Ondes et matière CHAP 04-COURS Analyse spectrale Objectifs : Comment identifier la structure d’une molécule à partir de ses différents spectres ?  Nommer des composés organiques et identifier leurs fonctions  Exploiter des spectres UV-visible  Exploiter un spectre infrarouge pour déterminer des groupes caractéristiques  Relier un spectre de RMN à une molécule organique donnée 1. Les molécules organiques 1.1 Groupes caractéristiques et fonctions Les molécules organiques qui possèdent le même groupe caractéristique ont des propriétés chimiques communes et appartiennent à la même famille. Ces propriétés définissent la fonction chimique de la molécule. 1.2 Nomenclature des alcanes Un alcane est un hydrocarbure acyclique de formule brute C H qui ne comporte que des liaisonsn 2n+1 simples C—C. Le nom d’un alcane ramifié est constitué :  du nom des groupes alkyle liés à la chaîne principale, c’est à dire la chaîne carbonée la plus longue. Chaque groupe alkyle est précédé du numéro de l’atome de carbone de la chaîne carbonée principale lié au groupe alkyle ;  du nom de l’alcane linéaire correspondant au nombre de carbone de la chaîne principale. Remarque : la numérotation peut commencer par un bout ou par l’autre de la chaîne principale. On choisit la numérotation qui donne les numéros les plus petits possibles. Exemple.

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• Physique-chimie
• Chimie générale
• Physique
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Extrait

CHAP 04-COURS Analyse spectrale

Objectifs : Comment identifier la structure d’une molécule à partir de ses différents spectres ? Nommer des composés organiques et identifier leurs fonctions Exploiter des spectres UV-visible Exploiter un spectre infrarouge pour déterminer des groupes caractéristiques Relier un spectre de RMN à une molécule organique donnée

1. Les molécules organiques 1.1 Groupes caractéristiques et fonctions Les molécules organiques qui possèdent lemême groupe caractéristiqueont des propriétés chimiques communes et appartiennent à lamême famille. Ces propriétés définissent lafonction

1.2 Nomenclature des alcanes Un alcane est un hydrocarbure acyclique de formule brute C n H 2n+1 qui ne comporte que des liaisons simples C—C. Le nom d’un alcane ramifié est constitué : du nom desgroupes alkyleliés à la chaîne principale, c’est à dire la chaîne carbonée la plus longue. Chaque groupe alkyle est précédé dunumérode l’atome de carbone de la chaîne carbonée principale lié au groupe alkyle ; du nom del’alcane linéairecorrespondant au nombre de carbone de la chaîne principale.

Remarque :la numérotation peut commencer par un bout ou par l’autre de la chaîne principale. On choisit la numérotation qui donne les numéros les plus petits possibles. Exemple.2-méthylpentane

3

5 1 2 4 CH 3

Lorsque plusieurs groupes alkyles sont présents : Le nom d’un groupe alkyle présent plusieurs fois est précédé d’unpréfixe multiplicateur(di, tri, tétra…) et les numéros des atomes de carbone liés au groupe apparaissent autant de fois qu’il y a de groupes alkyle. groupes sont nommés par ordre alphabétique (sans tenir compte des préfixes).les

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1.3 Nomenclature des alcènes Un alcène est un hydrocarbure acyclique de formule brute C n H 2n qui comporte 1 liaison double C=C. Pour nommer un alcène : On détermine la chaîne carbonée linéaire la plus longue contenant la double liaison. On prend le nom de l’alcane correspondant à cettechaîne carbonéela plus longue et on remplace la terminaison -ane par lesuffixe -èneprécédé dunumérodu premier atome de carbone engagé dans la double liaison. Remarque :la numérotation qui donne le plus petit numéro possible.on choisit L’isomérie Z/Eest précisée le cas échéant.

Exemples.4-méthylhex-2-ène

6

4 5

3

2

1

(E)-pent-2-ène

H CH 3 1 C C 3 2 H H C CH 3 2 5 4

H C 3 5

(Z)-pent-2-ène

CH CH 2 3 4 1 C C 3 2 H H

1.4 Nomenclature des alcools, aldéhydes, cétones et des acides carboxyliques Pour nommer une espèce possédant un groupe caractéristique : On détermine la chaîne carbonée linéaire la plus longue contenant le groupe caractéristique. On numérote la chaîne afin que l’atome de carbone qui porte le groupe caractéristique ait le numérole plus petit possible. On prend le nom de l’alcane ou de l’alcène correspondant à cettechaine carbonéeet on remplace le -e final par le suffixecorrespondant à la fonction. Lorsque la chaîne carbonée est ramifiée, les groupesalkyles figurent en préfixe.

1.5 a) Les esters Un ester est un composé de formule

Le nom d’un ester comporte deux termes : Le premier, avec la terminaison-oatedésigne la chaîne carbonéeR—C, numérotée à partir deC. Le second, avec la terminaison-yleest le nom du groupe alkyleR’, numéroté à partir de l’atome de carbone lié à l’atome d’oxygèneO.

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b) Les amines Une amine est un composé de formule générale atomes d’hydrogènes, des groupes alkyles…

 

oùR’etR’’peuvent être des

Le nom d’une amine possédant le groupe–NH 2 dérive de celui de l’alcool correspondant. On remplace le suffixe-olpar-amine. Lorsque l’atome d’azote est lié à d’autres groupes alkyles, le nom de l’amine est précédé de la mentionN-alkyl.

c) Les amides Un amide est un composé de formule générale atomes d’hydrogènes, des groupes alkyles…

oùR’etR’’peuvent être des

Le nom d’une amine possédant le groupe R–(C=O)NH 2 dérive de celui de l’aldéhyde .



yles, le nom de l’amide est précédé de la

2. Spectroscopie UV-visible 2.1 Introduction à la spectroscopie La spectroscopie est une technique d’analyse basée sur l’étude des interactions entre la lumière et la matière. Selon l’énergie des radiations électromagnétiques mise en jeu, les informations recueillies permettent de déterminer les types de liaisons chimiques impliquées dans les molécules, les groupes caractéristiques présents et leur environnement chimique. 2.2 Principe du tracé d’un spectre Pour obtenir le tracé d’un spectre d’une espèce, il suffit de placer un échantillon de cette espèce en solution dans untcepsomotphro.reèt

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partie absorbée et en partie transmise. Un capteur mesure l’intensité lumineuse du faisceau après traversée de l’échantillon. L’appareil affiche alors une grandeur qui caractérise l’aptitude de l’espèce à absorber la radiation lumineuse de longueur d’onde s’agit :. Il - de laTransmittance Tgénéralement exprimée en % qui représente la proportion de l’intensité lumineuse transmise par rapport à un échantillon de référence appelé « blanc » - ou bien del’Absorbance A, ଵ ܣ= log ( ் ) 2.3 allure d’un spectre UV-visible La courbe de l’absorbance A (en ordonnée) en fonction de la longueur d’onde(en abscisse), constitue le spectre de la solution contenant l’espèce étudiée. Le domaine des longueurs d’onde s’étend de 200 à 400 nm pour les ultraviolets et de 400 à 800 nm pour le visible.

L’absorbance A d’une espèce suit la loi de Beer-Lambert : ܣ=ߝ ( ߣ ) ∙ ℓ ∙ܥ oùl laest l’épaisseur de la solution traversée, concentration longueur d’onde. ܥ et le coefficient d’absorption molaire de l’espèce à la ߝ ( ߣ ) Le spectre d’une espèce présente une ou plusieurs bandes d’absorption. Chaque bande est caractérisée par : la longueur d’onde au maximum d’absorption max 2.4 lien entre couleur perçue et longueur d’onde max Une espèce est colorée si son spectre présente une absorption dans le domaine visible. Une espèce qui n’absorbe que dans l’UV est incolore.

La couleur de la solution oucouleur perçueest lacouleur complémentaire de la couleur absorbéeau max. Remarque : Lorsque l’espèce absorbe dans plusieurs domaines de longueur d’onde, sa couleur résulte de la synthèse additive des couleurs complémentaires des radiations absorbées.

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2.5 Lien entre couleur perçue et structure chimique Les molécules organiques possédant de un à six liaisons doubles conjuguées absorbent dans l’UV et sont incolores. Les molécules organiques possédant plus de sept liaisons doubles conjuguées successives absorbent dans le visible et sont donc colorées. La présence de certains groupes d’atomes ditsgroupes auxochromescomme les groupes hydroxyles – OH, amine –NH 2 , nitro -NO 2, et certains halogènes (Cl, Br, I) est susceptible de modifier le domaine des radiations absorbées par une molécule organique.

s

jaune

rouge

rouge foncé

3. Spectroscopie Infra Rouge 3.1 allure d’un spectre IR La spectroscopie IR est l’étude de l’absorption des espèces organiques pour des rayonnements de longueurs d’ondecomprises entre 800 et 1000 nm. Les spectres IR présentent généralement : -1 - en abscisse, lenombre d’onde, exprimé en cm . ૚ -1 = ࣅ L’axe est gradué selon les valeurs décroissantes du nombre d’onde de 4000 à 500 cm . - En ordonnée, latransmittance T(en %) Une transmittance de 100% signifie qu’il n’y a pas d’absorption.

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3.2 Origine du spectre Les liaisons chimiques se mettent à vibrer lorsqu’elles sont soumises à des rayonnements IR. Lorsque la longueur d’une liaison se met à osciller autour de sa valeur moyenne, on parle d’unevibration d’élongation. Lorsque l’angle défini entre 2 liaisons de covalence se met à osciller autour de sa valeur moyenne, on parle devibration de déformation. Lorsque la vibration d’une liaison est excitée, la molécule absorbe le rayonnement IR, la transmittance chute, ce qui génère une bande d’absorption.

3.3 Exploitation des spectres IR Chaque bande d’absorption est associé à un type de liaison (C—C, C—H, O—H, N—H, C—O, C=C, C=O etc…) Un spectre IR renseigne donc sur la nature des liaisons chimiques présentes dans la molécule et donc sur sesgroupes caractéristiques. On distingue deux zones principales dans un spectre IR : -1 4000>>1400 cm: cette partie du spectre rassemble des bandes caractéristiques des liaisonsO—H, N—H, C—H, C=C, C=O -1 1400>>500 cm: cette partie du spectre plus complexe est propre à un composé donné. Elle est appelée« empreinte digitale »

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3.4 Bandes d’absorption caractéristiques Les tables de données IR indiquent le nombre d’onde des liaisons caractéristiques et l’intensité de la bande.

Remarques : - plus une liaison est forte, plus le nombre d’onde est élevé - la présence de liaisons conjuguées affaiblie la liaison et diminue le nombre d’onde correspondant

3.5 mise en évidence de la liaison hydrogène La présence de liaisons hydrogène au sein d’un échantillon se traduit sur le spectre IR par la présence -1 d’unebande très large et de très forte absorption autour de 3300 cm.

4. Spectroscopie RMN 4.1 principe de la RMN Certains noyaux peuvent absorber des radiations électromagnétiques à une fréquence donnée lorsqu’ils sont placés dans un champ magnétique. Cette fréquence est appelée fréquence de résonance et ce phénomène est désigné sous le nom derésonance magnétique nucléaire(RMN). 1 L'étude sera ici limitée à la RMN du noyau de l'atome d'hydrogène H ouRMN du proton.

La fréquence de résonance des protons d'une molécule dépend de leur environnement électronique, et la RMN permet, par exemple, de distinguer, dans la molécule d'éthanol, les protons du groupe méthyle CH 3 , de ceux du groupe méthylène CH 2 et de celui du groupe hydroxyle OH L’analyse d’un spectre RMN permet de déterminer la structure d’une molécule.

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4.2 Exemples de spectres; déplacement chimique Afin que les spectres soient indépendants du spectrophotomètre utilisé (la fréquence de résonance dépend du champ magnétique produit par l’aimant du spectrophotomètre), la position de chaque signal (constitué d’un ou de plusieurs pics) est repérée en abscisse parle déplacement chimique.Il s’agit d’une grandeur exprimée en partie par million(ppm)qui situe la fréquence de résonance par rapport à une référence choisie comme origine. Ainsi, dans l'éthanol CH 3 -CH 2 -OH, les protons du groupe méthyle CH 3 résonnent vers 1,2 ppm, ceux du groupe méthylène CH 2 ceux du groupe hydroxyle OH vers 4,7 ppm.vers 3,6 ppm et Lesvaleurs des déplacements chimiquessont le plus souvent comprises entre 0 et 10 ppm (voir fiche annexe) Le déplacement chimique d’un proton dépend de son environnement. Celui-ci est notamment augmenté par : La présence proche d’atomes ou groupes d’atomes électronégatifs

4.3 Protons équivalents Dans I'éthanoate de méthyle (doc. 18), les trois protons du groupe méthyle CH 3 résonnent tous les trois pour= 2 ppm : on dit qu'ils sont équivalents. Il en est de même pour ceux du groupe méthyle CH 3 :(CH 3 ) =3,7 ppm.

Des protons équivalents résonnent pour la même valeur de déplacement chimique. Des protons qui ont le même environnement chimique dans une molécule sont équivalents.

4.4 Intégration du signal Sur les spectres des documents 17 et 18, une courbe superposée aux signaux présente des paliers. Cette courbe est appelée courbe d'intégration des signaux. La hauteur séparant deux paliers successifs est proportionnelle au nombre de protons résonant au déplacement chimique correspondant. Ainsi on peut constater que : - pour |'éthanoate de méthyle CH 3 -CO -O -CH 3 (doc. 18) :h1=h2; - pour le toluène C 6 H 5 -CH 3 (doc. 17) :h1= 5/3h2

Dans un spectre de RMN, la courbe d'intégration permet de déterminer le nombre de protons équivalents résonant pour une valeur donnée du déplacement chimique. Dans certains cas, le nombre de protons est directement indiqué sur le spectre au niveau des différents signaux.

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4.5 Multiplicité du signal; règle des (n + 1)-uplets Dans le spectre de l'éthanol CH 3 -CH 2 -OH (doc. 16), le signal du groupe méthyle CH 3 présente 3 pics : c'est untriplet. Dans l'éthanoate de méthyle CH 3 -CO -O- CH 3 (doc. 18), chaque groupe méthyle CH 3 apparaît sous forme de 1 seul pic : c'est unsingulet. Dans une molécule, les protons portés par un atome de carbone interagissent avec les protons portés par les atomes de carbone voisins : on dit qu'il y a couplage entre protons. Les atomes d'hydrogène du groupe méthyle de l'éthanol CH 3 -CH 2 -OH, voisins des 2 atomes d'hydrogène du groupe méthylène, donnent (2 + 1) pics, soit 3 pics Dans l'éthanoate de méthyle CH 3 -CO -O - CH 3 , les atomes d'hydrogène de chacun des deux groupes méthyle ont 0 atome d'hydrogène voisin, ils donnent (0 + 1) pic soit 1 pic.

règle des (n + 1)-uplets: Un proton, ou un groupe de protons équivalents, ayant n protons équivalents voisins, c'est-à-dire portés par des atomes de carbone voisins, donne, par couplage avec ceux-ci, un signal constitué de (n + 1) pics appelé multiplet.

Les quatre protons du 1,2-dichloroéthane Cl-CH 2 -CH 2 -Cl sont équivalents; leur signal est un singulet. Des protons équivalents ne se couplent pas.

Le proton du groupe hydroxyle de l'éthanol CH 3 -CH 2 -OH donne un singulet. Les protons des groupes hydroxyle -OH, carboxyle –CO 2 H, amine -NH 2 ou -NH- ne peuvent se coupler avec d'autres atomes d'hydrogène : ils donnent des singulets.

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Fiche annexe

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