Cours : Analyse spectrale : spectres U.V, I.R

Familles en chimie organique

Tout d’abord voici un rappel sur les formules brutes des alcanes et des alcènes et leurs nomenclatures :

Définition

Alcanes non cycliques :

Les alcanes non cycliques ont pour formule brute C$_n$H$_{2n+2}$, il n’ont que des liaisons simples.

Leur nomenclature est à la base de celle de toutes les autres familles, elle se compose du suffixe –ane et d’un préfixe lié au nombre d’atomes de carbone présents dans la chaine carbonée, comme on peut le voir sur ce tableau :

Lorsqu’on retire un atome d’hydrogène à un alcane, on obtient un radical alkyle qui sera utile pour la nomenclature des alcanes ramifiés, c’est-à-dire non linéaire :

Pour nommer un alcane il faut :

• Chercher la chaîne carbonée principale, la plus longue : c’est elle qui donne son nom à l’alcane.
• Identifier les ramifications, ou radicaux alkyles, les énumérer par ordre alphabétique, avec élision du e final de -yle, avant le nom de l’alcane.

Attention

Pour l’ordre alphabétique, on ne tient pas compte de di-, tri- ou tétra-, placés avant le nom de l’alkyle si celui-ci est contenu plusieurs fois dans la molécule.

• Numéroter la chaîne carbonée principale d’un bout à l’autre de telle sorte que le ou les atomes de carbone portant un radical alkyle aient le nombre le plus petit possible.

Exemple

Numérotation d’une chaîne carbonée

Définition

Alcènes :

Les alcènes comportent une double liaison carbone-carbone et ont pour formule brute $C_nH_{2n}$.

Pour nommer les alcènes, il faut :

• Chercher la chaîne carbonée principale (la plus longue). Elle doit comporter la double liaison.
• Remplacer le suffixe -ane de l’alcane comportant le même nombre d’atomes de carbone par le suffixe –ène.
• Numéroter la chaîne principale de façon à ce que le numéro du carbone portant la double liaison soit le plus petit possible, même si cette numérotation ne permet pas d’attribuer au premier atome de carbone portant une ramification le numéro le plus petit possible comme dans le cas des alcanes.
• Le numéro du carbone insaturé est placé avant la terminaison –ène.

Exemple

3,4-diméthylhept-3-ène :

Définition

Groupe d’atomes caractéristique :

En chimie organique, un groupe d’atomes caractéristique est un groupe d’atomes qui définit une fonction qui donne à cette famille de molécules certaines propriétés chimiques caractéristiques.

• Les fonctions à connaître sont :

Spectroscopie UV visible

Principe

Définition

Spectrophotomètre :

Le spectrophotomètre est un appareil de mesure. Il fait passer une radiation monochromatique à travers une cuve de longueur $l$ transparente aux radiations et qui contient la solution à analyser diluée dans un solvant.
Pour les spectrophotomètres usuels, dits « UV-visible » la radiation est comprise entre $200$ et $780\ \text{nm}$. Les UV dits « proches » sont compris entre $200$ et $300\ \text{nm}$, quant au spectre visible il est compris dans la fourchette $380-780\ \text{nm}$.

Le solvant est lui aussi transparent aux radiations. (un matériau transparent aux radiations veut dire qu’il ne les absorbe pas).
On mesure ainsi l’absorbance, notée $A$.

À retenir

L’absorbance $A$ d’un échantillon reflète le rapport de l’intensité de la radiation incidente $I_0$ sur la radiation transmise $I_t$.
Ainsi, $A=\log{(\dfrac{I_0}{I_t})}$.

C’est une grandeur sans unité, on peut se rappeler de la loi de Beer-Lambert, qui s’exprime ainsi :

avec :

• $C$, la concentration molaire de l’espèce à analyser dans la solution (en $\text{mol}\cdot\text{L}^{-1}$),
• $l$, la longueur de la cuve du spectrophotomètre (en $\text{m}$) ;
• $\varepsilon$, le coefficient d’extinction molaire (en $\text{L}\cdot\text{mol}^{-1}\cdot\text{m}^{-1}$) ;
• on peut toutefois considérer que, pour une espèce donnée et un appareil donné, $(\varepsilon\cdot l)$ est une constante :

Définition

Absorption d’énergie dans l’UV-visible :

L’absorption d’énergie dans l’UV-visible est en fait une transition électronique, c’est-à-dire le passage d’un électron d’un niveau d’énergie plus faible à un niveau plus élevé.

Spectre d’absorption et couleur

On peut obtenir ainsi un spectre d’absorption.

Définition

Spectre d’absorption :

Le spectre d’absorption est le tracé de l’absorbance $A$ en fonction de la longueur d’onde $\lambda$. On caractérise une espèce par son maximum d’absorption $\lambda_\text{max}$​.

À retenir

La couleur perçue de la solution est la couleur complémentaire de la couleur correspondant au maximum d’absorption, si celui-ci est dans le visible.

Attention

Les longueurs d’ondes ne sont pas à connaître par cœur.

Exemple

Par exemple, le sulfate de cuivre absorbe le rouge, et apparaît cyan :

Solution de sulfate de cuivre

Chromophores

Définition

Chromophore :

Un chromophore est un groupe d’atomes responsable d’absorptions caractéristiques. La combinaison de tous ces chromophores au sein d’une molécule caractérisera le maximum d’absorption de celle-ci.

Parmi les chromophores on peut citer les atomes à doublet non-liant, comme les halogènes, l’oxygène, ou encore l’azote, parmi d’autres. On peut aussi citer les doubles liaisons, plus particulièrement lorsqu’elles sont conjuguées, c’est-à-dire lorsqu’il y a un enchaînement liaison double, liaison simple, liaison double :

Spectroscopie IR

Principe

Les atomes liés dans une molécule chimique ne sont pas immobiles les uns par rapport aux autres. Ils vibrent autour d’une position moyenne. Ces vibrations peuvent être de deux types :

• l’élongation longitudinale :

• ou la déformation angulaire :

• On peut imaginer que ces liaisons sont des ressorts.

Si l’on envoie des photons infrarouges sur les molécules, celles-ci vont absorber les photons correspondants aux niveaux d’énergie vibratoire.

• Ce sont des énergies plus faibles qu’en spectroscopie UV-visible.

Spectre Infrarouge

Par convention, on utilise l’inverse de la longueur d’onde : le nombre d’onde $\bar{\nu}$ (qui se prononce nu barre) : $\bar{\nu} = \dfrac{1}{\lambda}$

$\lambda$ en $\text{cm}$, $\bar{\nu}$ en $\text{cm}^{-1}$. Sur un spectre IR $\bar{\nu}$ va de $4000$ à $400\ \text{cm}^{-1}$.

Définition

Spectre infrarouge :

Un spectre infrarouge est une courbe représentant la transmittance $T$ en fonction du nombre d’onde $\sigma$.

En ordonnée, la transmittance est le pourcentage d’intensité de lumière transmise par l’échantillon. Une transmittance de 100 % signifie que toute la lumière est transmise. Une transmittance de 0 % signifie qu’aucune lumière n’est transmise, et que toute la lumière est absorbée. Un pic correspond à un maximum d’absorption.

En abscisse, le nombre d’onde est l’inverse de la longueur d’onde, généralement exprimé en $cm^{-1}$. Cet axe est orienté de droite à gauche.

Exemple

Prenons l’exemple du spectre infrarouge de l’éthanol :

Spectre infrarouge de l’éthanol

Bandes caractéristiques

À retenir

Certains groupes d’atomes donnent des bandes caractéristiques, d’allure tout aussi caractéristique. C’est-à-dire que leur intensité, leur forme et leur nombre d’onde sont spécifiques.

Au dessus de $1200\ \text{cm}^{-1}$, la spectroscopie renseigne sur les groupes d’atomes caractéristiques d’une molécule.

En dessous de $1200\ \text{cm}^{-1}$, la zone dite des empreintes digitales est plus difficilement exploitable et permet de comparer les molécules une à une. Elle est très peu utilisée dans la pratique.

Voici une table des bandes caractéristiques (elle n’est pas à retenir) :

On peut voir sur le spectre de l’éthanol vu au-dessus qu’il y a une large bande vers $3200 \ \text{cm}^{-1}$ qui correspond au OH, et vers $3000 \ \text{cm}^{-1}$ des bandes fines caractéristiques des liaisons C-H.

On peut voir que dans la table pour le NH et OH, il y a deux possibilités : liés ou libres.

À retenir

En effet, l’allure d’un spectre est modifiée par la présence de liaison hydrogène.

Exemple

Voici à titre de comparaison le spectre de l’éthanol gazeux c’est-à-dire libre.

Spectre infrarouge de l’éthanol libre