polycopié Chim 12 - Université Kasdi Merbah Ouargla
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1 MINISTERE DE L’ENSEIGNEMENT SUPERIEUR ET DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE Université KASDI MERBAH Ouargla Faculté des Mathématiques et des Sciences de la Matière Département de Chimie METHODES SPECTROSCOPIQUES PECTROSCOPIQUES (Chim.12) DEHAK Karima [email protected] 3ième Année Licence : Chimie Analytique et Chimie Organique Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 2 Sommaire GENERALITES SUR LE SPECTRE ELECTROMAGNETIQUE…………….…........................... 4 CHAPITRE I : SPECTROPHOTOMETRIE UV-VISIBLE………………………...……………… 4 I.1.Introduction ………………………………………………………….......................................... I.2.Principe…………………………………………………………………………..……………… I.3.Spectre d’absorption UV-Vis……………………………………………………........................ I.4.Principaux types de transitions électroniques ……………………..…………………………... I.5.Analyse quantitative……………………………………………………..……………………… I.6.Analyse qualitative…………………………………………………………..……...................... 4 4 5 5 6 7 CHAPITRE II: SPECTROMETRIE DU PROCHE ET DU MOYEN INFRAROUGE……............. 11 II.1.Introduction …………………………………………………………………............................. II.2.Origine de l’absorption lumineuse dans l’IR………………………….…………………….…. II.3.Spectre d’absorption dans l’IR.......………………………………………….............................. II.4.Modes de vibration ……………….……………………………………………......................... II.5.Application de l’I.R à la détermination des diverses fonctions d’un composé organique……………………………………………………………………………………………. II.6.Exemples de spectres IR de composés organiques…………………………………………….. II.7.Appareillage……………………………...…………………………………………………….. 11 11 11 11 12 13 15 CHAPITRE III : SPECTROSCOPIE DE RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE (RMN).................................................................................................................................................. 17 III.1.Introduction……………………………………………………………………………………. III.2.Types d'échantillons…………………………………………………………............................ III.3.Principe………………………………………………………………………............................ III.4.Transitions entre ces niveaux d’énergie……………………………………………………….. III.5.Appareillage…………………………………………………………………............................. III.6.Résultat d'une analyse RMN…………………………………………………........................... III.7.Le déplacement chimique……………………………………………………............................ III.7.Blindage des noyaux ………………………………………………………………………….. III.8.Intégration des signaux………………………………………………………………………… III.9.Facteurs affectant les déplacements chimiques ………………………………………………. III.10.Phénomène de couplage spin-spin……………………………………………………………. Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 17 17 17 18 19 19 20 21 22 23 24 3 CHAPITRE IV : SPECTROMETRIE DE MASSE (SM)……………………………….................. 26 IV.1.Introduction…………………………………………………………………………………… IV.2.Principe ……………………………………………………………………………………….. IV.3.Spectre de masse ……………………………………………………………............................ IV.4.Principaux procédés d’ionisation……………………………………………............................ IV.5.Exemple d’application en spectrométrie de masse……...……………………………………... IV.6.Fragmentation de quelques molécules organiques…………………………………………….. 26 26 27 27 28 29 CHAPITRE V: SPECTROMETRIE D’ABSORPTION ATOMIQUE ET EMISSION DE FLAMME ……………………………………..........................................................................……. 34 V.1.Introduction………………………………………………………………….............................. V.2.Origine de l’absorption et de l’émission……………………………………............................... V.3.Principe………………………………………………………………………............................. V.4.Dosage par absorption ou par émission de flamme…………….………………………………. V.5.Appareillage……………………………………………………….…………............................. V.7.Utilisation pratique dans le cas le plus classique………………………..…………………….... 34 34 35 37 37 39 REFERENCES …………………………………………………………………………………….. 40 Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 4 Généralités sur le spectre électromagnétique Le spectre électromagnétique est l’ensemble continu des ondes électromagnétiques connues et classées soit par leurs fréquences fréquence ν, leurs longueurs d’ondes λ, leurs nombres nombre d’ondes σ ou leurs énergies ∆E. E. Il est constitué constitu par les es grandes régions électromagnétiques électromagnétique suivantes : Figure 1 : Principales régions du spectre électromagnétique La spectrométrie d’absorption est basée sur les interactions entre la matière et le rayonnement électromagnétique. Ce rayonnement est constitué de photons photons porteurs de quanta d’énergie. Deux cas sont possibles, ce photon peut réagir soit avec les électrons de liaisons (électrons de valence) ou avec les électrons des couches internes d’un atome. L’effet du rayonnement sur les molécules se traduit par l’absorption de quanta d’énergie, ce qui conduit au passage de ces molécules de leur état énergétique fondamental à un état excité, excité lequel possède une énergie plus élevée : ∆E = hν Chaque rayonnement conduit à un type d’excitation d’excitation propre à lui et à chaque excitation correspond une méthode spectroscopique. Exemples Rayons X : électrons des couches internes UV-Vis : excitation des électrons de valence IR : déformation des liaisons Radio fréquence : RMN (spin nucléaire) CHAPITRE I- SPECTROPHOTOMETRIE UV-VISIBLE UV VISIBLE I.1.Introduction La spectroscopie UV-Vis Vis est la plus ancienne et la plus utilisée des méthodes d’analyse. Elle permet notamment des applications quantitatives. Cependant, elle ne fournit que peu d’informations structurales (Analyse qualitative) comparées aux autres méthodes méthode spectroscopiques (IR, RMN et SM). I.2.Principe L’absorption d’un photon dans le domaine UV-Vis UV Vis provoque une augmentation de l’énergie électronique de la molécule, alors que les termes des énergies rotationnelle et vibrationnelle sont moins affectées. Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 5 Notons que : ∆Etot = ∆Eélec+ ∆Erot +∆Evib L’absorption de photons se traduit par des transitions d’électrons engagés dans les orbitales moléculaires situées à la frontière entre les derniers niveaux occupés (les électrons des liaisons σ et π ainsi nsi que les non liants n) de l’état fondamental et les premiers niveaux non occupés des états excités (σ** et π*). *). Chaque transition est caractérisée à la fois par sa longueur d’onde λmax et par son coefficient d’absorption molaire : Єmax à cette longueur d’onde. I.3. Spectre d’absorption UV-Vis UV Abs. IL s’agit du diagramme représentant l’absorption d’une radiation UV-Vis UV traversant l’échantillon à étudier en fonction de la longueur d’onde de la radiation. Les deux paramètres les plus importants importan sur un spectre UV-Vis sont les valeurs des longueurs d’onde des maximas d’absorption (λ ( max) et des épaulements (λép) ainsi que les coefficients d’absorption molaires Єmax. λmax1 λmax2 λ Figure I.1 : Spectre pectre UV-Vis UV du β-carotène carotène dans le chloroforme λmax1= 466nm et λmax2= 497nm) I.4.Principaux types de transitions électroniques Les transitions les plus rencontrées dans les composés organiques sont: σ n π* et n σ*. - - σ*, π π*, Transition σ σ* : La grande stabilité des liaisons σ des composés és organiques se traduit par un écart énergétique important entre les niveaux σ (O.M liante) et σ* (O.M antiliante). En effet, cette transition est intense située dans le lointain UV, vers 130 nm. Exemple : éthane : λmax,= 135 nm, Єmax= 10 000. Les hydrocarbures saturés tels que l’hexane ou le cyclohexane qui ne présentent que des liaisons σ sont pratiquement transparents dans le proche UV et peuvent de ce fait être utilisés comme solvants pour des composés organiques peu polaires ou apolaires. Transition π π* : Les composés possédant une double liaison éthylénique isolée conduisent à une forte bande d’absorption vers 170 nm. (Exemple : éthylène λmax,= 165 nm, Єmax= 16 000). Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 6 Nous notons que la position de ce maxima dépend de la nature des substituants sur la double liaison. - Transition n π* : Elle s’observe pour les molécules contenant un hétéroamtome porteur de doublets électroniques libres (n) appartenant à un système insaturé. L’exemple le plus connu est le carbonyle (C=O) facilement observable entre 270 et 280 nm. Le coefficient d’absorption molaire est généralement faible. (Exemple : éthanal λmax,= 293 nm, Єmax= 12, solvant : éthanol). - Transition n σ* : Elle est observée pour les composés comportant des hétéroatomes porteurs de doublets d’électrons libres n (O, N, S, X). Pour les alcools, les amines et les éthers elle est observée respectivement vers 180, 220 et 190 nm. Elle se situe à la limite du proche UV. λmax,= 183 nm (Єmax= 500) Exemples : Méthanol : Ether diéthylique λmax,= 190 nm (Єmax= 2 000) Ethylamine λmax,= 210 nm (Єmax= 800) I.5.Analyse quantitative -Loi de Beer-Lambert Cette loi est la relation fondamentale utilisée en spectrophotométrie. Elle relie l’absorbance A à la concentration de la substance absorbante dans la solution. A= log10 (I/I0)= Є.C.L I et I0 sont respectivement les intensités incidente et transmise. Є : coefficient d’absorption molaire (ou moléculaire) : L/mol.cm C : concentration molaire de la solution : mol/L L : longueur du trajet optique (épaisseur de la cuve) : cm Si la concentration est exprimée en g/L, le Є est remplacé par (a) l’absorptivité (ou coefficient d’absorption spécifique) exprimé en L/g.cm Le deuxième terme important est la transmission T, T= I/I0, A= log10 (1/T) -Conditions de la validité et l’application de la loi de Beer-Lambert : - Concentration faibles (condition de linéarité de cette loi). Longueur d’onde fixe (lumière monochromatique) correspondant à la valeur maximale de A sur le spectre du soluté. Solution stable, homogène et non fluorescente. Solution non siège de réaction photochimique. On peut observer des écarts à la loi de Beer-Lambert résultant principalement de l’ionisation, de la dissociation ou de l’association de solutés. Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 7 -Additivité de l’absorbance Elle stipule que l’absorbance d’une solution contenant plusieurs solutés est la somme des absorbances de tous ses solutés. Cette propriété permet de doser plusieurs solutés présents dans une même solution. Nous devons disposer de chacun de ces solutés à l’état pur ce qui permettrait de préparer des solutions de titres connus pour chacun d’eux en utilisant le même solvant. L’absorbance de toutes les solutions (de concentrations connues et inconnues) est mesurée à un nombre de longueurs d’ondes égal à celui des solutés présents dans le mélange. Après avoir déterminé les coefficients Є pour chaque soluté et à chaque valeur de λ, le système d’équation à x inconnues (x = nombre de solutés présents dans le mélange) est résolu. Lorsque ce nombre est égal à 2, il est possible de le résoudre manuellement, autrement la résolution se fait par des logiciels informatiques. I.6.Analyse qualitative -Détermination des chromophores : En analyse structurale, les valeurs de λmax et Єmax permettent d’identifier les groupements d’atomes responsables de l’absorption au niveau de la molécule appelés : chromophores. Le chromophore correspond au site dans la molécule à l’origine de la transition électronique. Il existe un certain nombre de chromophores "élémentaires" qui absorbent l'UV à des longueurs d'ondes variées (Tableau I.1). Le tableau I.2 illustre l’intensité de l’absorbance en fonction des chromophores Tableau I.1 : Principaux chromophores en UV-Vis Chromophores élémentaires - C=C < (alcène) - HC C Alcyne - C=O (cétone) - CH=O (aldéhyde) - COOH (acide) - COCl (chlorure d'acide) - CONH2 (amide) - COOR (ester) - NO2 (nitro) - N = N - (azométhane) λmax (nm) Єmax (L.mol-1.cm-1) 173* 10000 178* 2000 290 16 279 15 208 32 220 100 220 63 211 57 214 17 338 4 * spectre dans le n-heptane Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 8 - Tableau I.2 : Intensité de l’absorbance en fonction des chromophores Intensité (énergie requise) Єmax (L.mol-1.cm-1) Transition Chromophore Faible 10 - 100 n π* C=O (260 nm) Moyenne 1000 - 10 000 π π* Hydrocarbures aromatiques Forte 10 000 - 20 000 n π* Systèmes conjugués simples π π* Diènes, cétones -α, βinsaturés Hydrocarbures aromatiques substitués. -Facteurs influençant la position et l’intensité de l’absorption La présence dans une même molécule de plusieurs chromophores de manière indépendante peut se traduire par une simple superposition de l’effet de ces chromophores isolés. Dans d’autres cas (exemple : conjugaison) les effets qui peuvent être observés sont de quatre types : Effet Hypsochrome (Blue shift) Bathochrome (red shift) Hyperchrome hypochrome Conséquence λmax diminue λmax augmente Єmax augmente Єmax diminue Effets de la conjugaison Plus le nombre d’atomes sur lesquels s’étend le système conjugué est important, plus la délocalisation spatiale des électrons est importante ce qui conduit à un rapprochement des niveaux énergétiques et par conséquent à une diminution de ∆E entre le niveau excité et le niveau fondamental. Le spectre d’absorption est déplacé vers le rouge (un effet bathochrome) avec une augmentation de l’intensité (effet hyperchrome). Ce phénomène est appelé : stabilisation par résonnance de l’état excité. Cet effet est à l’origine de la couleur de nombreux composés naturels comportant des chromophores conjugués étendus. Ainsi la couleur orangée du β-carotène provient de la réunion de onze doubles liaisons conjuguées entre elles. Effets dus aux solvants (ou solvatochromie) Les spectres dépendent également des interactions du soluté avec le solvant. C’est l’une des raisons qui rendent les bibliothèques de spectres UV difficilement exploitables. Les interactions physiques précédentes modifient la différence d’énergie entre l’état fondamental et l’état excité. L’étude de ces modifications permet d’ailleurs de déterminer le type de transition électronique et du chromophore ce qui apporte des informations structurales sur le composé analysé. Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 9 - Effet hypsochrome : il existe des transitions électroniques pour lesquelles la polarité du chromophore diminue quand on passe de l’état fondamental à l’état excité. C’est le cas de la transition n π*du carbonyle des cétones en solution. Avant l’absorption, la polarisation + C - O sera d’autant plus stabilisée que le composé sera en présence d’un solvant polaire dont les molécules seront attirées par effet électrostatique autour du soluté. Ceci aura pour effet de nécessiter plus d’énergie pour provoquer la transition précédente, d’où un effet hypsochrome (λmax ) comparativement à la position de cette bande dans un solvant non-polaire. Cet effet est également observé pour la transition n σ*. - Effet bathochrome : pour les solutés peu polaires, il n’y a pas d’effet d’orientation des molécules de solvant autour des molécules de soluté. Si le moment dipolaire du chromophore augmente au cours de la transition, l’état final sera plus solvaté. On rencontre cette situation pour la transition π π*des hydrocarbures éthyléniques dont la double liaison est plus polaire après absorption du photon qu’avant. Le solvant polaire aura donc un effet stabilisateur de cette forme excitée, ce qui favorise la transition et conduit à un effet bathochrome. Cet effet est constaté par rapport à celui obtenu dans un solvant non polaire. -Régles de Woodward-Fieser et Scott : L’étude des spectres d’un grand nombre de molécules a permis d’établir des corrélations entre les structures et les maximas d’absorption. Les plus connues sont les règles empiriques dues à Woodward-Fieser et Scott (Tableaux I.3.et I.4) qui concernent les diènes et les carbonylés insaturés. Les valeurs des λmax calculées par ces règles concordent généralement bien avec les valeurs expérimentales. Tableau I.3 : Règles de Woodward-Fieser (prévision des λmax pour les diènes conjugués, solvant : éthanol) Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 10 Tableau I.4 : Règles de Scott (prévision des λmax pour les composés carbonylés α,βinsaturés, solvant : éthanol) Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 11 CHAPITRE II. SPECTROMETRIE DU PROCHE ET DU MOYEN INFRAROUGE II.1. Introduction La spectrométrie infrarouge (IR) s'utilise principalement pour l'analyse qualitative des composés et comme méthode de dosage non destructive. destructive Elle est basée sur l’absorption de radiations de laa région du spectre IR s'étendant s'étend de 1 à 50 µm. Laa majorité des applications se situent entre 2,5 et 15 µm (moyen moyen IR) du fait de sa richesse en informations structurales sur les composés examinés. Il permet de garder une sorte d’empreinte digitale pour les composés organiques analysés et de mettre en évidence la présence de groupements fonctionnels. II.2. Origine de l’absorption ’absorption lumineuse dans l’IR L’absorption de la lumière par la matière a pour origine l’interaction entre les radiations de la source lumineuse et les liaisons chimiques. Sachant que les atomes situés aux extrémités d’une liaison vibrent l’un par rapport rapport à l’autre et que s’ils sont différents, ils forment un moment dipolaire oscillant à la même fréquence que cette liaison. Autrement dit la condition qui doit être vérifiée pour qu’il y ait absorption est l’accord entre la fréquence de vibration de cette liaison iaison et la fréquence de la radiation IR. Ceci explique pourquoi en l’absence de moment dipolaire permanent (comme dans le cas des molécules telles O2, N2, Cl2) il ne se produit aucune absorption. Ces molécules sont dites transparentes dans le moyen IR. II.3. Spectre d’absorption dans l’IR Le spectre IR est enregistré dans le moyen IR entre 2.5 µm et 25 µm. Il représente pour chaque nombre d’onde (ou longueur d’onde) le rapport des intensités transmises appelé transmittance T,, laquelle peut être remplacé par son pourcentage %T ou par l’absorbance A. II.4. Modes de vibration L'absorption du rayonnement IR par les composés organiques correspond à deux principaux types de vibrations atomiques : vibrations de valence ou d'élongation et vibrations de déformation angulaire. Pour modéliser les vibrations des liaisons, on se réfère au modèle de l’oscillateur harmonique, harm un ensemble formé par deux masses pouvant glisser sans frottement sur un plan et réunies par un ressort. La fréquence est donnée par la relation (loi de Hooke) suivante : k : constante de raideur du ressort (N.m-1) µ : masse réduite du système (kg) Dans le cas des liaisons chimiques k est la constante nte de force de la liaison. Elle est proportionnelle à l’énergie de liaison et µ la masse réduite des deux atomes reliés par cette liaison. Ainsi, les liaisons multiples, plus énergétiques que les simples, auront une constante de force plus élevée. Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 12 Figure II.1 : Position des bandes d’absorption IR dues aux différentes vibrations Vibrations d’élongation On appelle vibration de valence ou d’élongation,, les vibrations dans l'axe du dipôle. Ces vibrations, ibrations, dès qu'elles intéressent trois atomes peuvent être symétriques ou asymétriques : c'est le cas de -CH2, -CO2 . Dans ces conditions on observe toujours deux bandes: celle qui présente le plus grand nombre d'ondes (la ( plus forte) est toujours la vibration asymétrique. asymétrique Elles se trouvent dans la zone du spectre IR de 4000 cm-1 à 1000 cm-1. Déformations dans et hors du plan. Considérons une structure CH2. En plus de la vibration de valence, l’angle des liaisons peut varier : il y a flexion ou déformation. Ces déformations peuvent avoir lieu dans le plan des deux liaisons concernées ou hors du plan. Il y a aussi possibilité de déformations symétriques et asymétriques. Les vibrations de déformations plus faibles que celles de valence sont nombreuses et beaucoup plus sensibles à l'environnement (la présence d'atomes voisins). Ces vibrations constituent la région du spectre dite “empreinte digitale“ (1600 à 600 60 cm-1). Elles sont souvent difficiles à attribuer mais permettent par exemple de déterminer la présence d'un substituant en position ortho, méta ou para d'un composé aromatique. II.5. Application de l’I.R à la détermination des diverses fonctions d’un composé organique. Il n’y a pas de règles strictes pour l’interprétation d’un spectre IR. Cependant, avant toute interprétation, certaines conditions doivent être remplies : 1- le spectre doit présenter une résolution rés et une intensité adéquates. 2- le spectre doit être celui d’un composé raisonnablement pur. 3- Le spectrophotomètre doit être calibré avec des standards purs tels que le film de polystyrène. 4- Le conditionnement de l’échantillon doit être spécifié (solvant utilisé, concentration et épaisseur de la cuve de mesure). Les deux domaines importants pour l’examen préliminaire d’un spectre sont les régions comprises entre 4000 et 1300 cm-1 et entre 900 et 650 cm-1. La partie des hautes fréquences est appelée ée la région des groupements fonctionnels. Les fréquences d’élongation caractéristiques des groupes fonctionnels spécifiques tels que : OH, NH et Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 13 C=O apparaissent dans cette portion du spectre. L’absence L’a de ces bandes d’absorption d’absorpti spécifiques peut-être utilisée ilisée comme critère de l’absence de ces es mêmes groupes fonctionnels dans une molécule donnée. L’absence d’absorption entre 1850 et 1540 cm-1 exclut toute présence de C=O dans la molécule. De faibles bandes dans la région des hautes fréquences résultant de l’absorption fondamentale de groupes fonctionnels comme S-H S H et C=C sont extrêmement précieuses pour la détermination structurale. Les fortes bandes des squelettes aromatiques et hétéroatomiques tombent dans la région comprise entre 1600 et 1300 cm-1. L’absence bsence de fortes bandes d’absorption entre 900 et 650 cm-1 (région d’absorption de déformation des liens C-H C H aromatiques et à la déformation du cycle) indique généralement une structure non aromatique La portion du spectre de 1300 à 900 cm-1 est habituellement ement appelée la région de « l’empreinte digitale ». Bien que cette partie du spectre soit souvent complexe, elle permet d'apporter apporter des informations précieuses. Elle permet par exemple, de déterminer si un O-H H observé dans les hautes fréquences est celui d’un alcool ou d’un phénol. L’absorption pour chaque composé est probablement unique dans cette région du spectre. Toute conclusion déduite après l’examen d’une partie du spectre devra être confirmé par l’examen d’autres parties du spectre. II.6. Exempless de spectres IR de composés organiques Nous allons passer en revue les principales fonctions rencontrées grâce à l’étude de quelques exemples de spectres : alcanes Alcènes Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 14 Alcynes Composés aromatiques Alcools et phénols Ethers Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 15 Cétones Aldéhydes Acides carboxyliques Esters et lactones II.7. Appareillage Les appareils anciens, à monochromateur, procèdent par balayage et enregistrements successifs dans la gamme de nombres d’onde à analyser. Les systèmes plus récents sont des spectromètres infrarouge à transformée de Fourier (FT-IR), (FT IR), où la gamme complète des radiations passe simultanément à travers l’échantillon. Le résultat est un interférogramme, qui est converti mathématiquement en en spectre classique infrarouge. Cette technique permet à la fois un temps d’analyse court, une excellente résolution et l’obtention de résultats faciles à traiter. Elle peut également permettre de travailler sur des quantités plus restreintes de produit. Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 16 Un spectromètre IR à transformée de Fourier (IRTF) est composé des éléments suivants : Source Elle est constituée par un Globar (baguette de carbure de silicium chauffée vers 1300°C, énergie maximale vers 5300cm-1), ou par un filament de Nernst (mélange d'oxydes de zirconium, d'yttrium et de thorium dans un tube fin chauffé à 1900°C, énergie maximale vers 7100cm-1). Détecteur De type thermique, le détecteur le plus utilisé est un détecteur pyroélectrique. Il s'agit d'un cristal de phosphate de triglycine (TGS) dopé avec de la L-alanine. L alanine. En dessous d'une température connue comme “point de Curie”, les corps ferroélectriques, comme le TGS, montrent une forte polarisation spontanée entre certaines faces du cristal. Si la l température d'un tel cristal varie, par exemple sous l'action d'un rayonnement IR, sa polarisation varie. On obtient ainsi une variation de tension fonction de la variation de température du cristal. Interféromètre de Michelson L'interféromètre comprendd un diviseur de faisceau (ou séparatrice), un miroir fixe et un miroir mobile. La lumière infrarouge (IR) émise par la source est dirigée vers le diviseur de faisceau qui comme son nom l'indique divise le faisceau de lumière en 2 parties égales de même énergie ergie (le diviseur est un miroir semi-transparent). semi transparent). La première moitié du faisceau passe à travers le diviseur en direction du miroir mobile, l'autre moitié est réfléchie sur le diviseur en direction du miroir fixe situé à une distance fixe du diviseur. Figure II.2 : Interféromètre de MICHELSON (schéma de V. DALMEYDA) Les deux faisceaux sont réfléchis à la surface des deux miroirs et se recombinent sur le diviseur créant alors des interférences constructives ou destructives suivant la position du miroir mobile obile par rapport au miroir fixe. Le faisceau résultant passe ensuite à travers l'échantillon où il se produit une absorption sélective. L'énergie qui atteint le détecteur est donc la somme d'énergie des deux faisceaux. Le signal transmis au cours du temps par le détecteur est traduit sous forme d'interférogramme. Cet interférogramme est ensuite traité par transformée de Fourrier est convertie en spectre IR. IR Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 17 CHAPITRE III. SPECTROSCOPIE DE RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE (RMN) III.1.Introduction La RMN constitue actuellement la technique la plus puissante et la plus générale d’analyse structurale des composés organiques. Elle précise la formule développée et la stéréochimie des molécules. Elle revêt une importance particulière en chimie organique, en biochimie et en chimie macromoléculaire (polymères, gels, matériaux). Elle a fait également ses preuves dans la caractérisation de molécules biologiques et minérales (verres, céramiques…) et a trouvé des applications dans les domaines agroalimentaire (contrôle de qualité) et pharmaceutique. Enfin, l'imagerie médicale RMN (dite IRM), connue du grand public, ainsi que la RMN in vivo se développent fortement aujourd'hui. La RMN tire des informations de l’interaction qui nait entre les noyaux des atomes de certains éléments présents dans l’échantillon étudié et le champ magnétique intense et constant produit par un aimant. III.2.Types d'échantillons De nombreux accessoires et sondes de mesures permettent d'utiliser le spectromètre dans les diverses applications de la RMN : RMN de routine, RMN haute résolution des liquides, RMN haute résolution solide… Ainsi, de nombreux composés peuvent être étudiés et caractérisés : des liquides (molécules et solvants organiques, huiles minérales et végétales…), des gaz dissous, et des solides (polymères, minéraux, gels, poudres solubles et insolubles...). III.3.Principe La RMN repose sur la propriété appelée le magnétisme nucléaire, qu’ont certains atomes, possédant un moment de spin I non nul (c’est-à-dire un nombre de masse A et/ou un numéro atomique Z impairs), de pouvoir prendre plusieurs orientations bien définies, auxquelles correspondent des niveaux d’énergie distincts, quand ils sont placés dans un champ magnétique B0. - l'un de basse énergie, si le moment magnétique est parallèle et de même sens que le champ extérieur, - l'autre d'énergie plus élevée, si le sens est contraire. La différence d'énergie ∆E entre ces deux états est proportionnelle au champ extérieur. La transition du niveau bas au niveau haut peut avoir lieu par absorption d'une radiation de fréquence ν telle que ∆E = hν. Lorsque la transition a lieu, on dit qu'il y a résonance du noyau. La RMN s'applique à de nombreux éléments du tableau périodique de Mendeleïev. A de rares exceptions près (argon, cérium, prométhium), tous les éléments du tableau possèdent au moins un isotope stable doté d'un spin non nul, donc d'un moment magnétique nucléaire. Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 18 Par exemples, les noyaux 13C (A=13 et Z=6) et 19F (A=19 et Z=9) donneront un signal de résonance, alors que les noyaux 12C (A=12 et Z=6) et 16O (A=16 et Z=8) ne peuvent pas être étudiés par RMN. La sensibilité varie également énormément suivant les noyaux. Ainsi, le proton 1H (abondance isotopique 99.98%) ou le noyau 19F (abondance isotopique 100%) sont plus faciles à détecter que le noyau 13C en raison de sa faible abondance isotopique (1.1%) et de par sa nature. Les trois principaux noyaux étudiés en RMN sont le proton 1H, le carbone 13C et le phosphore 31P. Néanmoins, depuis quelques années, on tend à généraliser les études vers d'autres noyaux, dits noyaux de " routine " comme par exemples, l'isotope 95Mo du molybdène, le vanadium 51V, le lithium 7Li, le silicium 29Si, les noyaux lourds tels que le platine 195Pt, le mercure 199Hg ou le plomb 207Pb. Propriétés nucléaires des noyaux les plus étudiés en RMN Noyau I Abondance naturelle (%) 1 H 1/2 99,98 13 C 1/2 1,11 15 19 N 1/2 0,37 F 1/2 100 29 Si 1/2 4,7 31 P 1/2 100 III.4.Transitions entre ces niveaux d’énergie Le nombre d’atomes d’hydrogène dans chaque état énergétique est donné par la relation de Boltzmann : Soit donc un nombre d’atomes dans l’état U1 bien plus important que ceux existant dans l’état U2. Si l’on soumet ce proton, plongé dans un champ magnétique, à un champ électromagnétique adéquat, il sera possible de provoquer la transition d’un très grand nombre de noyaux de U1 à U2, transition qui sera donc facilement décelable grâce à la baisse d’intensité importante de l’onde électromagnétique ayant traversé la substance contenant le proton étudié. Cette onde électromagnétique aura une fréquence qui suit la relation d’Einstein : hν ν = U2 - U1 = γ. h Ho ⇔ ν = γ.H π γ. o / 2π Cette relation est la relation fondamentale de la RMN. Exemples Expérimentalement, on constate que, placés dans un champ magnétique de l’ordre de 1,4 T (Tesla), les protons absorbent l’énergie électromagnétique vers 60.106 Hz (fréquence radio). Placés dans le même champ, les noyaux du carbone 13 (13C) absorbent vers 15.106 Hz. Les noyaux de fluor 19 (19F) absorbent vers 56.106 Hz . Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 19 III.5.Appareillage Figure III.1 III. : Schéma d’un spectromètre RMN III.6.Résultat Résultat d'une analyse RMN Un spectre RMN est un diagramme représentant des signaux ou pics de résonance émis par certains noyaux présents dans l'échantillon. Plus précisément, un spectre correspond à l'absorption par certains atomes de fréquences présentes dans la source électromagnétique. électromag L'interprétation de ces signaux (position, aspect et intensité) conduit à un ensemble d'informations duquel on déduit la structure du composé analysé. Les données telles que le déplacement chimique et le phénomène de couplage sont les paramètres fondamentaux de la RMN. Figure III.2 : Spectre RMN 1H de l’éthanol Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 20 III.7.Le déplacement chimique Lorsque l’atome d’hydrogène est engagé dans une liaison, le champ magnétique régnant au niveau du noyau est différent du champ magnétique appliqué H0. On peut, en effet, considérer que les électrons de liaison forment un écran autour du noyau, écran qui se manifeste par l’apparition d’un champ local ∆H0 opposé au champ H0 et proportionnel à ce champ : ∆H0 = – σH0. La constante de proportionnalité σ, appelée constante d’écran, est indépendante du champ appliqué H0 . Elle est fonction de l’environnement chimique du noyau, donc fonction de sa nature chimique. Pour un proton caractérisé par une constante d’écran σ, la fréquence de retournement de spin de ce proton vaut : Il résulte de ce phénomène que placés dans un champ magnétique H0, les divers protons d’une molécule organique absorberont l’énergie à des fréquences différentes qui seront fonction des constantes d’écran correspondantes, donc de l’environnement électronique c’est-à-dire de la nature chimique des protons présents. L’analyse de ce « déplacement chimique » des fréquences d’absorption fournira des renseignements précieux sur la structure des molécules organiques. Il est à remarquer que les constantes d’écran sont très faibles de l’ordre de quelques millionièmes. Cependant, le pouvoir de résolution des spectrographes RMN est remarquablement élevé (environ 1/10 Hz pour un appareil fonctionnant à 60 MHz). Cela permet, en fait, d’apprécier des variations de l’ordre de 2.10-9 Comme les déplacements chimiques sont faibles (par rapport à B) et que l’on ne peut pas prévoir le déplacement chimique, celui ci est décrit par rapport à un standard : le TMS (Tétra-Méthyl Silane, (CH3)4Si). Ce standard est ajouté aux échantillons afin de pouvoir repérer les autres pics. Comme les déplacements chimiques sont proportionnels au champ magnétique imposé, le déplacement chimique est mesuré en fonction du TMS et rendu indépendant de l’appareillage par la construction du ppm qui n’a pas de dimension et est indépendant de l’appareillage. δi (ppm) = (νi- νréf)/ νréf . 106 où Bi et BTMS sont les champs de résonance du noyau i et des noyaux du TMS. Pour amener les valeurs de δ à des valeurs raisonnables, le rapport est multiplié par 106 d’où le nom de ppm (partie par million). Pour le proton les déplacements chimiques vont de 0 à 15 ppm. Dans le cas du carbone 13C ils vont de 0 à 300 ppm. Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 21 Choix duTMS Le tétraméthylsilane est utilisé comme référence à la fois en RMN 1H et 13C pour les raisons suivantes : CH3 - Composé inerte et volatil (Teb= 27°C). H3C CH3 Si - Il donne un seul signal en RMN 1H (12 H équivalents) et en RMN 13C (4C équivalents). CH3 - Il sert d’origine dans l’échelle des déplacements chimiques, sa fréquence de résonance est inférieure dans les deux cas aux fréquences des composés organiques. Figure III.3 : Déplacements chimiques correspondant à divers types de protons III.7.Blindage des noyaux Lorsqu'on soumet une molécule à un champ magnétique externe, ce champ agit non seulement sur les spins nucléaires, mais en même temps il induit dans un plan perpendiculaire à sa direction, une circulation des électrons autour du proton. D'où l'existence d'un champ magnétique interne. Autrement dit, au sein d’une molécule l’environnement électronique et stérique de chaque noyau crée un rempart plus ou moins efficace qui le protège du champ extérieur B0. Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 22 Ce champ peut s'additionner au champ extérieur : c'est le phénomène de déblindage. Ce champ peut s'opposer au champ extérieur : c'est le phénomène de blindage. blindage Plus le blindage est intense, plus le proton doit être soumis à un champ extérieur fort pour que se produise la résonance. Ceci se traduit par un déplacement des pics d'absorption vers la droite du spectre. L'inverse dans le cas du déblindage. L'intensité du blindage ou du déblindage dépend donc de l'environnement du proton, donc de la structure chimique du composé, et en particulier est très sensible à la présence d'électrons π ou d'électrons libres. Si les protons ont le même environnement chimique ils résonnent pour le même champ : ils sont dits équivalents ou isochrones. isochrones III.8.Intégration gration des signaux Dans un spectre RMN l’énergie absorbée par une espèce donnée de protons est proportionnelle au nombre de protons mis en jeu. C’est-à-dire C’est dire que l’intensité du signal, qui est mesurée par sa surface, est proportionnelle au nombre de protons intéressés. Avec les spectrographes courants l’intégration des aires des signaux peut être obtenue directement et se présente sous la forme d’une série de paliers (figure suivante). La hauteur de chaque palier est proportionnelle à l’aire intégrée du signal correspondant. Figure III.4 III. : Spectre RMN 1H de l’alcool benzylique Le spectre représenté ci-dessus dessus est celui de l’alcool benzylique. La hauteur du palier correspondant aux protons aromatiques est de 35 mm. Celle du palier correspondant au Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 23 groupe –CH2– est de 14 mm, soit bien les 2/5 de 35 mm. Même raisonnement pour le proton de la fonction alcool. Il est très important de noter que l’intégration ne fournit pas le nombre de protons en valeur absolue. On pourrait tout aussi bien avoir un nombre de protons égal à 10, 4 et 2 pour le spectre ci-dessus. III.9.Facteurs affectant les déplacements chimiques Effets de solvants La plupart des spectres RMN proton sont enregistrés pour des composés dissous dans un solvant. Par conséquent, des signaux seront observés pour le solvant et ceci doit être expliqué pour résoudre des problèmes spectraux. Pour éviter des spectres faisant apparaître le signal du solvant, la plupart des spectres 1H RMN sont enregistrés dans un solvant contenant du deutérium. Cependant, le deuteration n’y est pas à " 100%", ainsi des signaux pour les protons résiduels sont observés. Dans le cas du chloroforme deutéré (CDCl3 : le solvant le plus utilisé), un singulet est observé à 7,26 ppm. On utilise également l’acétone-d6 (C3D6O), le méthanol-d4 (CD3OD) ou l’eau lourde (D2O). Pour le méthanol, un quintuplet 1:2:3:2:1 est observé à 3,31 ppm. Lorsque le composé possède des atomes d’hydrogène mobiles, des échanges D H sont possibles avec certains solvants, ce qui entraine des modifications d’intensité et de position des signaux correspondants. En conséquence, les tables de corrélation doivent préciser la concentration et le solvant utilisés. Effets de substitution et d’hybridation Le simple remplacement d’un hydrogène par un reste carboné R produit un déblindage des protons restants.cet effet atteint 0.6 ppm lorsqu’on passe de RCH3 à CHR3 (en RMN 13C : 40 ppm). L’état d’hybridation influe de manière encore plus nette la position des signaux. Ces variations sont dues à l’anisotropie des liaisons chimique c'est-à-dire à la non homogénéité de la densité électronique autour des atomes liés, à laquelle peut s’ajouter l’effet des petits champs magnétiques induits par la circulation des électrons. Ainsi les protons éthyléniques sont déblindés par ce que situés dans un plan appauvri en électrons. Inversement les protons acétyléniques situés dans l’axe de la liaison C C sont plongés dans un environnement plus riche en électrons et sont par conséquent blindés. Les électrons aromatiques sont fortement déblindés, car à l’effet de l’anisotropie précédent s’ajoute un champ local provenant du courant du cycle au champ principal (figure suivante) : δ(1H) ~ 5ppm, δ(13C) =120-200 ppm δ(1H) = 2-3 ppm δ(1H) = 6-8 ppm Figure III.5 : Effet de l’anisotropie des liaisons et de champs locaux induits Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 24 Effets de résonance et effets inductifs Pour les composés organiques les déplacements chimiques sont sensibles à la délocalisation plus ou moins grande des électrons des liaisons. Si on compare le carbonyle d’une cétone à celui d’un ester. Pour ce dernier le carbone est moins déblindé (δC= 165 ppm) à cause du caractère plus électropositif du carbone de la cétone (δC= 205 ppm). Du même les effets électroniques qui modifient la polarité des liaisons influent sur les déplacements chimiques. Concernant, l’effet de l’électronégativité des halogènes sur la position du signal du méthyle dans la série des CH3X, on observe que le déplacement du signal augmente dans le même sens que l’électronégativité. Tableau III.1 : Influence de l’électronégativité de l’halogène sur δ Electronégativité δH (ppm) δC (ppm) CH3F 4.0 4.26 75 CH3Cl 3.1 3.05 30 CH3Br 2.8 2.68 10 CH3I 2.5 2.16 -30 TMS 1 0 0 III.10. Phénomène de couplage spin-spin Dans le spectre d’un composé dissymétrique du type A2CH – HCX2 dans lequel A et X provoquent une différenciation considérable du déplacement chimique des protons H(A) et H(X) , les signaux de ces mêmes protons ne se présentent pas sous la forme de raies uniques, mais sous la forme de deux doublets centrés sur les fréquences auxquelles résonneraient H(A) et H(X) s’ils n’étaient pas couplés. La même distance J mesurée en Hertz sépare les composantes de ces deux doublets et elle est indépendante du champ magnétique appliqué. On appelle constante de couplage J l'écart séparant les deux signaux. HA et HX non Couplés HA et HX Couplés La multiplicité des signaux Si I = 1/2, les intensités relatives des raies suivent la règle du triangle de Pascal : n (nombre de H voisins) 1 2 3 4 5 6 Intensité des raies 1 11 12 1 1331 14641 1 5 10 10 5 1 Forme du signal Singulet Doublet Triplet Quadruplet Quintuplet Sextuplet Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 25 Méthode d'interprétation d'un spectre La suite chronologique des informations à exploiter est : - le nombre de signaux et la valeur du déplacement chimique correspondant, ce qui permet d'identifier le nombre et la nature des groupes de protons équivalents ; (en utilisant une table de données) ; - Surface ou courbe d’intégration d’un signal toujours proportionnelle au nombre de protons de ce signal et la courbe en paliers (hauteur de palier proportionnelle à la surface et donc au nombre de protons de ce signal) - La forme de chaque signal qui renseigne sur le nombre de protons voisins du proton étudié ( phénomène de couplage spin-spin lié à la présence des protons voisins). En pratique un proton ou un groupe de protons équivalents ayant n protons voisins donnera un signal constitué de (n+1) pics, appelé multiplet (singulet : 1 pic; doublet : 2 pics; triplet : 3 pics; quadruplet : 4 pics; quintuplet : 5 pics....). Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 26 CHAPITRE IV : SPECTROMETRIE DE MASSE (SM) IV.1 .Introduction La spectrométrie de masse désigne une technique d’analyse qui permet de déterminer les masses atomiques ou moléculaires selon le type des espèces analysées. Elle contribue à la détermination des structures moléculaires des composés qui peuvent être solides, liquides ou gazeux. Son extrême sensibilité et sa polyvalence font d’elle la méthode qui a le plus vaste champ d’application (Chimie organique et pharmaceutique, environnement, biochimie…). L’analyse d'une substance se fait soit en l’introduisant directement dans l'appareil (introduction directe) ou en analysant les produits de séparation provenant d’un système de chromatographie gazeuse, chromatographie liquide ou électrophorèse capillaire (techniques de couplage). Ces dernières techniques ont rendu possible l’analyse de mélanges complexes à l'état de traces (quelques nanogrammes). IV.2. Principe Une très petite quantité du composé à analyser introduite dans la source du spectromètre à l’état gazeux (ou rendu tel après volatilisation) est ionisée par un des nombreux procédés existants (exemple : Impact électronique I.E). Les espèces chargées qui en résultent sont soumises à l’action d’un champ électrique et/ou magnétique (Accélération). Les ions (les fragments moléculaires ionisés issus des ruptures des liaisons au sein de l’ion moléculaire) obtenus sont filtrés ou séparés selon le rapport (m/Ze) (Séparation) par l’analyseur. La détection se fait par quantification des charges électriques. Le traitement du signal de sortie de l’appareil conduit à l’enregistrement du spectre de masse. Figure IV.1: Schéma d'un spectromètre de masse muni d'un secteur magnétique. Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 27 IV.3. Spectre de masse Il s’agit d’un graphe représentant l’abondance statistique de chaque type d’ions formé suivant son rapport masse/charge dans l’ordre croissant des masses. Dans un spectre de masse l'ion le plus abondant est pris comme étant à 100% (appelé pic de base). Dans certains cas, quand la production d'ions est faite à basse énergie, le pic de plus haute masse représente le pic moléculaire M+. . On obtient ainsi la masse du composé analysé. Pour un composé, en opérant dans des conditions identiques, la fragmentation est reproductible et donc caractéristique. Figure IV.2. : Exemple de spectres de masse IV.4. Principaux procédés d’ionisation a) Impact électronique ou bombardement par les électrons c’est la méthode la plus utilisée pour les composés passés à l’état de gaz. L’ionisation L’i des -7 molécules se fait dans la source, (sous un vide d’environ 6.10 mmHg). Elle est provoquée par des collisions de molécules neutres avec des électrons obtenus par effet thermo-ionique. thermo Ces collisions sont très énergétiques et se font à 70 eV. Il y a alors arrachement d’un électron à partir de la molécule neutre (si celle-ci cell ci comporte un hétéroatome porteur de doublet électronique libre, l’un de ces électrons est arraché) ce qui conduit à un ion porteur d’une charge élémentaire positive. Ce procédé est reproductible et il permet des comparaisons des spectres obtenus à ceux des bibliothèques de spectres (Spectrothèques). b) Ionisation chimique La substance à analyser est introduite dans la source avec un large excès d’un gaz tel que méthane, éthane, l’ammoniac ou l’isobutane. Ce gaz s’ionise en premier, ionise la substance par transfert de charge. Il se produit des espèces positives (mode positif) et négatives (mode négatif). Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 28 Ce procédé est doux, il fait apparaitre généralement l’ion pseudomoléculaire MH+, cet ion n’étant un ion radical a moins tendance à se fragmenter que le précédent, ce qui permet de repérer la valeur de la masse moléculaire. c)- Bombardement par atomes rapides (FAB) Ce procédé fait partie des procédés réservés aux composés non vaporisables sous vide. L’ionisation est obtenue par bombardement avec un faisceau d’atomes neutres comme Xe ou Ar animés d’une grande vitesse dirigés sur un solide provoquant sa désorption et son ionisation. Ce procédé donne peu de fragmentation mais conduit à des ions moléculaires intenses, notamment pour les macromolécules. Autres procédés L’ionisation par désorption au laser d’une matrice (MALDI) est un procédé particulièrement bien adapté aux macromolécules biologiques (protéines et fragments d’ADN) ou autres polymères synthétiques. Il existe également des procédés d’ionisation à pression atmosphérique (API) qui ont permis des nouvelles applications en spectrométrie de masse, notamment l’étude des molécules peu stables et polaires et les composés en solution. IV.5. Exemple d’application en spectrométrie de masse Détermination de la formule brute Cette méthode est basée sur les abondances isotopiques. Comme pratiquement tous les éléments sont constitués de plusieurs isotopes, la formule brute d’un composé est donc constituée d’un amas isotopique moléculaire dont les proportions peuvent être calculées. Toutes les molécules contenant du carbone dans leur structure, présentent un pic de masse à M+1. En effet l'abondance isotopique du carbone 13 est de 1,1%. Donc pour une molécule contenant n carbones, on doit trouver (n x 1.1%) du pic de 12C. Par exemple C5H12+, C40H70+ et C100H170+ présenteront un pic à M+1 d'abondance 5.5 ; 44 ; 110% du pic contenant que des carbones 12C. Les atomes comme I, F sont mono isotopique. Cl et Br ne le sont pas : 35Cl/37Cl = 3/1 et 79Br/81Br = 1/1. Ainsi l'analyse des différentes abondances permet de déterminer avec une très bonne probabilité les formules brutes des composés. Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 29 Tableau V.1 : Abondances isotopiques de quelques éléments élément C H N O F S Cl Br Isotope le plus abondant 12 C H 14 N 16 O 9 F 32 S 35 Cl 79 Br 1 Abondances naturelles des autres isotopes 13 C : 1.08 (1.1) 2 H : 0.016 15 N : 0.38 17 O : 0.04, 18O : 0.20 33 S 0.78 ; 34S 4.4 37 Cl : 32.5 81 Br : 49.5 Comment déterminer la formule brute ? - Règle de l’azote : si M est pair, le nombre d’atomes d’azote (nN) est pair. M impair implique nN impair Nombre de carbone nC= (P+1)/1.1 ; (avec (P+1) = intensité du pic M+1) Absence ou présence d’un atome de S, Br ou Cl : selon (P+2), ((P+2) = intensité du pic M+2) : 4.4% (S), 33 % (Cl) et 49.5%(Br). Remarque : nous notons que lorsque le pic de base n’est pas lui-même le pic moléculaire, il faut recalculer les intensités (P+1)’ et (P+2)’ en considérant M+. comme le pic de base). Le nombre d’hydrogène et d’oxygène sont déduits. Il faut également déterminer le nombre d’insaturations au niveau de la molécule. IV.6.Fragmentation de quelques molécules organiques La fragmentation par impact électronique est le procédé le mieux adapté à l’étude des molécules organiques. L’ion moléculaire (M+. : radical-cation) formé est instable, il se fragmente suivant plusieurs processus. En règle générale : Les fragments les plus stables (ioniques ou neutres) se forment préférentiellement : Ordre de stabilité croissante de quelques carbocations les fragmentations avec réarrangement sont favorisées lorsqu’ils correspondent à des états de transitions à 6 centres. Le chemin de fragmentations pour quelques composés organiques sont présentés ci-dessous : Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 30 Coupure simple : perte d’un méthyle (formation du C+ le plus stable favorisée) Perte d’une molécule neutre d’éthène Alcanes Alcanes ramifiés : plus grande probabilité de clivage à la ramification Coupure allylique : perte du fragment de m/z =31 (formation du radical allyle stabilisé par résonance) Alcènes Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 31 Composés aromatiques Spectre de masse du benzène (pic moléculaire souvent intense Pour les composés aromatiques) aromatiques m/z=77 : ion phényle cycle benzénique monosubstitué Perte facile d’ une molécule d’eau : le pic moléculaire souvent inexistant (m/z= 31 : fragment le plus courant) Alcools Mécanisme écanisme de formation du pic à m/e = 70 (déshydratation) Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 32 Rupture de la liaison en β Carbonylés Rupture de la liaison en α Réarrangement de type Mc Lafferty (fragment fragment de m/z m = 44 indique bien la fonction aldéhyde) aldéhyde Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 33 Spectre de masse du pentanal Carbonylés Cétones : la rupture en α du CO est fréquente : formation de l’ion acylium RC≡O+ m/z= 91 : C7H7+ (ion tropylium)) composés benzéniques Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 34 CHAPITRE V : ABSORPTION ATOMIQUE ET EMISSION DE FLAMME (OU PHOTOMETRIE DE FLAMME) V.1.Introduction Ces deux techniques spectroscopiques constituent deux méthodes d’analyse élémentaire quantitative aux nombreuses applications notamment en Sciences environnementales. Elles permettent de doser environ 70 éléments (métaux et non métaux : Na, K, Ca, Mg, Mn, Fe, Cd, Cr, Cu, Ni, Pb, Co, Zn, As, ....) à des concentrations souvent inférieures au µg/L (ppb) dans divers types de substrats : végétaux, sols, sédiments, roches, aliments, déchets solides, effluents liquides, eaux souterraines, eaux de surface, eaux usées etc. De nombreux appareils permettent de mettre en œuvre l’une ou l’autre de ces méthodes. L’émission d’un rayonnement électromagnétique du à la désexcitation d’atomes ou de molécules qui ont été excités par un apport suffisant d’énergie est un phénomène physique bien connu. Ainsi, si on projette du sel de cuisine dans une flamme au gaz de ville, une émission jaune caractéristique au sodium apparaît (en cuisine, lorsque l’eau de cuisson que l’on a salée déborde sur un feu au gaz, la flamme devient jaune). Un sel de potassium conduira à une émission caractéristique orange. V.2.Origine de l’absorption et de l’émission Figure V.1. : Origine de l’absorption et de l’émission par des atomes. Un atome ne peut exister que dans des états d’énergie potentielle définis, qui dépendent de sa configuration électronique. Lorsqu’on le porte à une température élevée ou on le soumet à une radiation lumineuse du proche UV/Vis, on favorise la transition d’un électron externe de l’état fondamental à un état excité. Ce transfert correspond à une absorption d’énergie. Inversement, l’atome réémet un excédent d’énergie (1 ou plusieurs photons) lorsqu’il revient à son état fondamental. Ainsi la flamme provoque les transitions électroniques les plus probables pour l’atome concerné. La loi de Maxwell-Boltzmann permet de calculer l’effet de la température et de montrer que la fraction d’atomes passés à l’état excité est très faible par rapport à celle restée à l’état fondamental. Ne/N0= g.exp[-∆E/KBT] Avec T = température absolue ; Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 35 g = entier qui dépend de chaque élément et de ses nombres quantiques ; KB = constante de Boltzmann = 1,38x10-23 J/K ; ∆E = différence d’énergie entre le niveau excité et le niveau fondamental. Tableau V.1. : Rapport Ne/N0 pour quelques éléments à différentes températures Elément l (nm) E (eV) g 2000 K 3000 K 4000 K Na 589 2,1 2 1,03x10-5 5,95x10-4 4,53x10-3 Ca 423 2,93 3 1,25x10-7 3,60x10-5 6,12x10-4 Cu 325 3,82 2 4,77x10-10 7,69x10-7 3,09x10-5 Zn 214 5,79 3 7,81x10-15 5,68x10-10 1,53x10-7 Il est préférable de baser les mesures sur l’absorption plutôt que l’émission de flamme sauf dans le cas de 5 à 6 éléments entre autres des alcalins donnant des flammes colorées. Il est également important de noter que compte tenu des énergies mises en jeu (quelques eV ; lumière visible et proche UV), les transitions électroniques impliquent uniquement les niveaux périphériques des atomes. Elles correspondent au passage d’un électron de la souscouche non remplie à une sous-couche inoccupée d’énergie supérieure (absorption) ou au retour d’un électron sur la sous-couche de valence (émission). Les niveaux de coeur ne sont absolument pas concernés. Exemple L’atome de sodium a pour configuration fondamentale [Ne] 3s1 ; il existe deux transitions permises lorsque l’électron 3s passe sur la sous-couche 3p (absorption) : L’une à (589,583 nm) et l’autre à (588,996 nm) En émission, les transitions « inverses » sont également possibles et conduisent au fameux doublet jaune du sodium. V.3.Principe Le principe de ces 2 méthodes d’analyse élémentaire impose que les mesures soient faites à partir d’un échantillon transformé à l’état d’atomes libres. A cette fin, la prise d’essai est portée obligatoirement à une température de 2000 à 4000 °C pour que les éléments présents passent sous forme de gaz à l’état atomique. Ceci arrive après leur dissociation des combinaisons chimiques dans lesquelles ils se trouvent initialement dans l’échantillon. a) La spectrométrie d’absorption atomique La SAA repose sur l’absorption (Figure V.2.) par les éléments à l’état atomique d’un rayonnement issu d’une source lumineuse laquelle doit contenir l’élément à analyser; ainsi son spectre d’émission correspond exactement au spectre d’absorption de l’élément à analyser. Autrement dit, les photons issus de la lampe remplissent les conditions de résonance pour les atomes « cible » donc induisent des transitions électroniques ce qui provoque l’absorption. Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 36 Figure V.2. : Principe de l’absorption atomique La source de lumière délivre un rayonnement constitué des raies caractéristiques de l’élément qui la compose donc de l’élément à analyser. Le faisceau lumineux tombe ensuite sur une flamme ou un four en graphite dans lequel se trouvent les atomes « cible ». Malgré la température élevée, la très grande majorité de ceux-ci sont restés à l’état fondamental. Sous l’effet du rayonnement et puisque la condition de résonance est remplie, des atomes passent de l’état fondamental à un état excité ; une partie du rayonnement est ainsi absorbé. Le monochromateur sert à sélectionner une bande de longueur d’onde ou d’énergie au centre de laquelle se trouve la raie avec laquelle on veut travailler. Sa présence est indispensable puisque l’on peut être amené à changer de raie caractéristique pour un même élément ou à analyser un autre élément ; bien sûr, il faut, dans ce dernier cas, changer la source lumineuse. Enfin un détecteur, le plus souvent un tube photomultiplicateur, mesure l’intensité transmise. Le principe de l’analyse quantitative est exactement le même que pour la spectrométrie UV/visible (loi de Beer-Lambert). b) L’émission de flamme La photométrie d’émission atomique mesure l’émission d’un rayonnement électromagnétique UV ou visible due à la désexcitation d’atomes qui ont été excités par l’énergie apportée par le transfert à une température très élevée (introduction de l’échantillon dans une flamme ou un plasma). La mesure quantitative de l’émission permet des dosages. Les flammes utilisées dans les appareils de mesure à flamme atteignent 2000 à 3000 °C et permettent l’émission par les atomes des séries des alcalins (Na, K, Li), de quelques alcalinoterreux (Ba) et de quelques autres métaux. Les appareils à plasma qui atteignent plus de 7000 °C permettent d’élargir la gamme des atomes mesurables. Le spectre d’émission de chaque atome étant caractéristique de ce dernier, l’émission de flamme est une méthode d’analyse quantitative et peut être utilisée en analyse qualitative mais, pour cela, on lui préfèrera de loin une autre technique l’émission atomique (où l’excitation est réalisée au moyen de plasmas de gaz ou par action d’étincelles ou de lasers ; les températures atteintes sont alors bien supérieures donc les raies d’émissions beaucoup plus intenses). Figure V.3. : Principe de l’émission de flamme. Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 37 V.4. Dosage par absorption ou par émission de flamme Le principe de l’analyse quantitative est exactement le même que pour la spectrométrie UV/visible et la spectrométrie infrarouge. On mesure l’intensité transmise avec échantillon, I, sans échantillon (solvant seul), I0 et on définit les grandeurs suivantes : la transmittance : T et l’absorbance A est la grandeur la plus utile puisqu’elle reliée à la concentration en espèce absorbante dans le domaine de validité de la loi de Beer-Lambert : A=kLC k (k est un cœfficient propre à chaque élément à une longueur d’onde choisie), L est la longueur du trajet optique dans la zone où se trouve l’espèce absorbante (longueur de la flamme ou du four en graphite) et C la concentration en espèce absorbante. a) Dosage par SAA : le signal mesuré par l’appareil traduit l’absorbance de l’élément dans la flamme. Celle-ci dépend du nombre d’atomes N0 restés à l’état fondamental sur le trajet optique. Les mesures sont faites par comparaison avec des solutions étalons dans un domaine où la linéarité est vérifiée. A = K.C b) Dosage par émission de flamme : pour une population de n atomes excités, l’émission lumineuse Ie dépend du nombre dn d’entre eux qui retournent à l’état fondamental pendant l’intervalle de temps dt : (dn/dt = k’n). L’intensité lumineuse émise Ie varie comme dn/dt et elle est proportionnelle à la concentration de l’élément dans la partie chaude de l’appareil : Ie = KC (valable pour de faibles concentrations) V.5. Appareillage a) SAA : le dispositif expérimental utilisé en absorption atomique se compose d'une source, la lampe à cathode creuse, d'un brûleur et un nébuliseur, d'un monochromateur et d'un détecteur relié à un amplificateur et un dispositif d'acquisition. Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 38 Figure V.4. : Schéma du spectrophotomètre d’absorption atomique 1. La lampe à cathode creuse : la lampe à cathode creuse est constituée par une enveloppe de verre scellée et pourvue d'une fenêtre en verre ou en quartz contenant une cathode creuse cylindrique et une anode. Cette anode est en zirconium ou en tungstène. La cathode est constituée de l'élément que l'on veut doser. Un vide poussé est réalisé à l'intérieur de l'ampoule qui est ensuite remplie d'un gaz rare (argon ou néon) sous une pression de quelques mmHg (centaines de Pa). Lorsqu'on applique une différence de potentiel de quelques centaines de volts (300 V) entre les deux électrodes, une décharge s'établit. Le gaz rare est ionisé et ces ions bombardent alors la cathode, arrachant des atomes à celle ci. Ces atomes sont donc libres et sont excités par chocs : il y a émission atomique de l'élément constituant la cathode creuse lequel est luimême l’élément à doser (sachant qu’il existe plusieurs types de lampes en fonction de l’élément que l’on veut doser). La particularité du rayonnement ainsi émis est qu'il est constitué de raies très intenses et très fines. 2. Le nébuliseur : l'échantillon à analyser est en solution. Celle-ci est aspirée au moyen d'un capillaire par le nébuliseur. A l'orifice du nébuliseur, du fait de l'éjection d'un gaz à grande vitesse, il se crée une dépression (effet Venturi). La solution d'analyse est alors aspirée dans le capillaire et à la sortie, elle est pulvérisée en un aérosol constitué de fines gouttelettes. Cet aérosol pénètre alors dans la chambre de nébulisation dont le rôle est de faire éclater les gouttelettes et d'éliminer les plus grosses. Ce brouillard homogène pénètre alors dans le brûleur. 3. La flamme – atomisation : l'aérosol pénètre dans le brûleur puis dans la flamme. Au bout d'un certain parcours au seuil de la flamme, le solvant (souvent de l’eau) de la gouttelette est éliminé, il reste les sels ou particules solides qui sont alors fondus, vaporisés puis atomisés. Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 39 La flamme air acétylène (mélange comburant/combustible) est la plus répandue et permet de réaliser le dosage de nombreux éléments. Sa température est de 2600°C. La flamme N2O/acétylène (protoxyde d'azote) est utilisée pour certains éléments qui forment des oxydes réfractaires particulièrement solides et ne sont pas atomisés par la flamme air/acétylène. Tableau V.2. : Température limite de la flamme pour différents mélanges combustible/comburant. Mélange butane /air propane / air hydrogène / air acétylène / air acétylène / N2O acétylène / oxygène / azote acétylène / oxygène cyanogène C2N2 / oxygène Température maximale (K) 2 200 2 200 2 300 2 600 3 000 3 100 3 400 4 600 b) Photomètres de flamme : les mesure sont faites soit à partir des spectromètres d’absorption atomique à brûleur, soit avec des photomètres de flammes (appareils simples 10 fois moins chers que les précédents). Ils sont destinés pour mesurer le spectre d’émission des métaux alcalins ou alcalino-terreux. La linéarité de la réponse est limitée, ce qui exige des dilutions importantes des échantillons (concentration entre 10 et 100 ppm). V.7.Utilisation pratique dans le cas le plus classique L'élément à doser doit être en solution diluée. La spectrométrie permet en effet un dosage d'élément sous forme de traces (parties par million ou mg/L). La lampe à utiliser doit émettre des photons dont l'énergie correspond à l'excitation d'un atome (lampe à cathode creuse monoélément). Le spectromètre doit être préalablement étalonné: l'absorption est convertie par l'appareil en absorbance (Abs) qui est proportionnelle à la concentration de l'élément à doser. On trace donc une droite d'étalonnage Abs en fonction de la concentration connue de solutions étalonnées. On reporte ensuite sur cette droite l'Abs obtenue pour la solution étudiée, ce qui permet d'en déterminer la concentration. Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK 40 RÉFÉRENCES 1. Silverstein R. M., Bassler G. C. et Morrill T. C., "Identification spectrométrique de composés organiques", Traduction française de la 5ième Édition par E. Larue, DeBoeck Université, Paris, 1998. 2. Joel Janin, Méthodes biophysiques pour l'étude des biomolécules Hermann, Paris 1985 3. Rouessac F. et Rouessac A., Analyse chimique, Méthodes et techniques instrumentales modernes. 5ième édition Dunod, Paris 2000. 4. Bourguet E. et Auge C., Les techniques de laboratoire, Purification et analyse des composés organiques. Edition Ellipses, Paris 2008. 5. Burgot G. et Burgot J-L., Méthodes instrumentales d’analyse chimique et Application, Méthodes chromatographique, électrophorèse et méthodes expérimentales. 2ième édition Tech et Doc. Paris 2006. 6. Cours de spectrométrie de masse, Pr. Franck DENAT ICMUB UMR 5260, Dijon (2010). 7. Cours de Chimie analytique instrumentale, Notions de spectrométrie de Résonance Magnétique Nucléaire, Etienne QUIVET, UMR 6264, Université de Marseille 8. Cours de spectrométrie de masse, Sarah SANGLIER, CNRS - Université Louis Pasteur Strasbourg, Octobre 2005. 9. Cours Identification structurale de métabolites secondaires par RMN mono- et bidimensionnelles, David Guilet UCBL Lyon1, juin 2006. 10. Cours identification des composés organiques par spectrométrie de masse, V. bellosta, Octobre 2005. 11. Cours de Spectroscopie IR, Richard Giasson, département de chimie, Université de Montréal, 2006. 12. Cours de Techniques Spectroscopiques, Absorption Atomique, Philippe Galez. MPh2 SE3 ME3, Annecy 2008. 13. Cours Absorption atomique, Méthodes spectrométriques d'analyse et de caractérisation Axe " Génie des Procédés", centre SPIN, Ecole des Mines de Saint-Etienne. Méthodes Spectroscopique (Chim.12). 3ième année Licence chimie analytique (UKMO) K.DEHAK
