Principes Spectro UV-Visible (cours JFN - Noir et Blanc)

Licence MPC L3 S5
« Chimie Organique Avancée »
PRINCIPES DE
SPECTROSCOPIE UV-VISIBLE
Pr Jean-François Nicoud
Faculté de Chimie
Université de Strasbourg
1. Introduction: le spectre électromagnétique
2. Spectres UV-visible, spectres électroniques
3. Appareillage
4. Applications
5. Types de bandes d’absorption
6. Techniques expérimentales
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James Clerk Maxwell
E
L’onde lumineuse est composée d’un champ magnétique B et
d’un champ électrique E perpendiculaires entre eux
(schéma pour une polarisation plane)
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Les rayons ultraviolets sont plus énergétiques que
les
rayons du spectre visible. Ceux qui proviennent du soleil
sont nocifs pour la peau et on doit donc s’en protéger à
l’aide de crèmes qui en absorbent la plus grande partie.
La couche d’ozone est déjà un premier rempart efficace
contre ce type de lumière nocive. Les néons des boîtes
de nuit ou des détecteurs de faux billets émettent des
ultraviolets invisibles à l’œil, mais proches du visible,
donc peu nocifs
Les
longueurs d’onde du rayonnement UV s’échelonnent de 10 nm à 400 nm
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Les couleurs du spectre visible
400nm
800nm
La région du spectre électromagnétique détectée par l’œil,
appelée « le spectre visible », s'étend de 400 nm à 800 nm
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La couleur est la manifestation de l’absorption de lumière
visible (λ de 400 à 800 nm, soit de 0,4 à 0,8 µm).
Les substances qui absorbent seulement :
* dans l’UV (ultra-violet) proche (λ = 200 à 400 nm)
* dans l’IR (infra-rouge: λ > 800 nm)
apparaissent incolores
Toutes les substances absorbent dans l’UV lointain
(λ < 200 nm).
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Il existe 3 couleurs primaires : Bleu, Jaune et Rouge.
C’est en les mélangeant que l’on obtient d’autres teintes.
Il y a 3 couleurs secondaires : L’Orange, le Vert et le
Violet. Elles sont obtenues en additionnant 2 couleurs
primaires.
Et 6 couleurs tertiaires résultent du mélange des
couleurs primaires avec les secondaires.
Toutes ces couleurs peuvent encore
s’additionner. Elles donnent des
nuances que l'on retrouve dans la
« roue chromatique »
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Un spectre UV (ou visible) rend compte
de l'absorption de
radiations UV (ou visibles) par une molécule.
A chaque rayonnement de longueur d’onde λ est associée une
énergie E
Ainsi pour la différence d'énergie ΔE = E2 - E1
il correspond une longueur d'onde λ donnée par la relation
hc
ΔE =
λ
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L’énergie
disponible par les rayonnements UV-visible
permet des transitions électroniques au sein de molécules
organiques: c.a.d. le passage d’un électron d'une orbitale
d'énergie E1 à une orbitale d'énergie E2 plus élevée.
On dit qu’on passe dans un « état excité »
Schéma d’une transition électronique
Niveau électronique E2
Niveau électronique E1
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Définitions
A est aussi appelé « densité optique » ou D.O.
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Définitions
I
%Transmission (T) =
IIo
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X
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100
Loi de Beer-Lambert : A = ε l c
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Longueur d’onde λ (nm)
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Transmission
Absorbance (A)
Haute
énergie
λmax
Faible
énergie
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Longueur d’onde λ (nm)
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Transmission
Absorbance (A)
Haute
énergie
λmax
Faible
énergie
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La région ultraviolette s'étend de 10 nm à 400 nm mais les
spectromètres UV usuels ne permettent le tracé des spectres
que pour les longueurs d'onde comprises entre 200 nm et
400 nm (proche UV)
La région du visible s'étend de 400 nm à 800 nm; cette
gamme de mesure est atteinte avec le même type de
spectromètre que celui utilisé en UV, par la simple
commutation de la source lumineuse
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Les spectromètres UV-visible
Les spectromètres UV-visible comportent une source de
lumière suivie d’un monochromateur, d’un compartiment pour
placer les échantillons, puis d’un dispositif de réception
associé à un dispositif de traitement des données permettant
au final le tracé d’un spectre
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* Lampe à décharge au deutérium utilisée dans le domaine de
190 à 400 nm avec un maximum d'émission à 652,1nm.
Divers modèles de lampes
au deutérium
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• Lampe à filament de tungstène pour la région allant
de 350 à 800 nm
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• Lampe à décharge au xénon utilisée dans le domaine
UV et visible
(Lampe très énergétique qui fonctionne sous forme de flash, juste
au moment de faire une mesure)
Lampes flash au xénon Oriel
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Spectrophotomètre UV-Visible
Jean-François
Nicoud
PrPr
Jean-François
Nicoud
Faculté
Chimie
Faculté
dede
Chimie
Université
de Strasbourg
Université
Louis
Pasteur
Jean-François
Nicoud
PrPr
Jean-François
Nicoud
Faculté
Chimie
Faculté
dede
Chimie
Université
de Strasbourg
Université
Louis
Pasteur
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Nicoud
PrPr
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Chimie
Faculté
dede
Chimie
Université
de Strasbourg
Université
Louis
Pasteur
Spectrophotomètre UV/Visible/NIR à fibres optiques
Jean-François
Nicoud
PrPr
Jean-François
Nicoud
Faculté
Chimie
Faculté
dede
Chimie
Université
de Strasbourg
Université
Louis
Pasteur
Spectrophotomètre UV-Visible pour faibles volumes
Caratéristiques
Large gamme spectrale : 220-750 nm
Précision : 1 nm
Bande passante : 3 nm
Sensibilité : détecte les acides
nucléiques à partir de 2 ng/µl,
Jusqu’à 3700 ng/µl sans diluer
Précision photométrique : 0,003
absorbance
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Analyse qualitative :
La
spectroscopie UV-visible fournit généralement moins de
renseignements sur la structure moléculaire que les autres
méthodes
spectrométriques
comme la Résonance
Magnétique Nucléaire (RMN) ou la spectroscopie infra-rouge
(IR).
Néanmoins on l’utilise pour une confirmation de structure, soit
par une identification grâce à des règles empiriques
performantes soit en procédant à des comparaisons avec des
spectres de référence.
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Analyse quantitative :
L’utilisation
de la loi de Beer-Lambert, lorsqu’elle s’applique,
est une très bonne méthode d’analyse quantitative. En effet
nous avons vu que l’absorbance d’une solution A (ou sa
densité optique D.O.) est proportionnelle à la concentration c
de la solution étudiée.
Donc, quand on connaît l’ε du produit analysé à la longueur
d’onde utilisée, toute mesure de A équivaut à une mesure de c.
Remarque : la loi de Beer-Lambert ne s’applique bien que pour des faibles
valeurs de c
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Chromophores : ce sont des groupes d’atomes liés dans une
molécule et qui sont responsables de pics d’absorption
importants dans l'ultraviolet ou le visible.
Groupement auxochrome : Groupement qui, introduit dans
un système chromophorique provoque, soit une augmentation
du λmax d’absorption (effet bathochrome), soit une diminution
du λmax (effet hypsochrome)
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σ*
Etat
excité
Orbitales
anti-liantes
π*
n
σ*
n
π*
Etat
fondamental
π
σ
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π
π*
Orbitales
liantes
σ
σ*
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On
distingue 4 types de bandes d'absorption dans les
spectres UV des molécules organiques. Elles sont
caractérisées par la longueur d'onde de leur maximum
d'absorption ( λmax ) et par l'intensité de ce maximum
Bandes R :
Elles sont dûes à une transition électronique n → π*.
Lorsqu'un hétéroatome, porteur de doublet(s) non-apparié(s) n,
fait partie d'un système insaturé ou est conjugué avec un tel
système, une transition de faible énergie peut se produire :
passage d'un électron n non liant dans une orbitale anti-liante π*
Ces bandes R présentent en général une faible absorption
molaire avec le plus souvent εmax < 100 M-1.cm-1
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Bandes K (Konjugierte) :
Elles sont dûes à une transition électronique π → π*
Elles apparaissent dans les spectres de molécules
possédant un système de doubles liaisons conjuguées :
C
double
C
C
simple
C
double
conjugaison
Caractéristiques de ces bandes K : une forte absorption
molaire : εmax > 10 000 M-1.cm-1
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Bandes B (Benzénoïdes) :
Egalement
Elles
dûes à une transition électronique π → π*
apparaissent dans les spectres de molécules
aromatiques ou hétéroatomiques
Caractéristiques
de ces bandes B :
εmax < 1 000 M-1.cm-1 et structure fine
Bandes E (Ethyléniques) :
Egalement dûes à une transition électronique π → π*
Apparaissent dans les spectres de molécules aromatiques
substituées par des groupements auxochromes :
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Des groupements liés au cycle aromatique par un
hétéroatome porteur de doublets libres n sont des
substituants auxochromes
O
R
X
avec X =
halogène
…et…
etc..
Caractéristiques de ces bandes E : les εmax
varient entre 2
000 et 14 000 M-1.cm-1
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Maximum d’absorption UV de l’éthène et de polyènes
Nom
Formule Structurale
CH 2 =CH 2
éthène
buta-1,3-diène
CH 2=CH-CH=CH 2
(3E)-hexa-1,3,5-triène CH 2 =CH-CH=CH-CH=CH 2
(3E, 5E)-octa
-1,3,5,7-tétraène
CH 2=CH(CH=CH) 2 CH=CH 2
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λmax
(nm)
Energie
(kJ/ mol)
165
723
217
551
268
447
290
384
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Spectre UV du 2,5-diméthylhexa-2,4-diène
λmax = 242 nm
εmax = 13100 M-1. cm-1
Longueur d’onde (nm)
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Spectres UV de polyènes conjugués
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A propos du β-carotène (provitamine-A)
Les caroténoïdes constituent une classe importante de pigments
naturels. Ils sont responsables de la couleur jaune ou orangé de
nombreux fruits et légumes. Le β-carotène est abondant dans les
carottes (bien sûr), mais aussi des citrouilles, abricots et nectarines.
Les légumes de couleur vert foncé comme les épinards et les
brocolis en sont également une source importante. Dans ces
légumes, la couleur orange est masquée par la couleur verte intense
de la chlorophylle. On peut s’en rendre compte sur les feuilles en
automne ; quand les feuilles meurent en automne, la chlorophylle
disparaît peu à peu, et la couleur jaune/orangé/rouge des
caroténoïdes, plus stables, prend le dessus.
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Le β-carotène est un polyène conjugué naturel
11 doubles liaisons conjuguées
Des pastilles de β-carotène sont vendues dans
les para-pharmacies comme antioxydant
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Spectre d’absorption UV-visible du β-carotène
λmax = 497 nm
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εmax = 133000 M-1. cm-1
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Spectre UV-visible de la chlorophylle a
La chlorophylle a absorbe fortement à 430 nm (bleu) et 660 nm (rouge)
Molécule de chlorophylle a
Vert : magnésium Bleu: azote
Rouge: oxygène
La chlorophylle est un pigment présent dans toutes les plantes vertes sur Terre. On
estime que près d’un milliard de tonnes de chlorophylle sont synthétisées par les
plantes chaque année sur toute la surface de la Terre.
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Lorsqu’un couple donneur/accepteur
est placé en positions conjuguées,
cela conduit à une absorption
intense décalée vers le rouge, même
pour une petite molécule.
accepteur
donneur
4-nitroaniline
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Les cellules :
La plupart du temps, on utilise des cellules dont le trajet optique
est égal à 1 cm (ceci permet d’avoir l = 1 pour l’application de la loi de
Beer-Lambert)
Elles doivent être en quartz et pas en verre pour λ <310nm
Les
cellules doivent être maintenues très propres,
particulièrement les faces polies car elles sont placées sur le trajet
lumineux.
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Les solvants :
Ils
doivent bien dissoudre le produit et être transparents dans
la région examinée
L'éthanol
à 95 % est le solvant le plus utilisé.
Il est suffisamment
bon
solvant pour de nombreux
composés organiques
Les
hydrocarbures sont des solvants utilisés pour des
substances
non polaires ; ils
doivent
être
purifiés
soigneusement pour éliminer toute trace de substances
aromatiques ou éthyléniques
Pr Jean-François Nicoud
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Les solvants :
L'eau
distillée et les acides sont de bons solvants :
leur transmission est très bonne
Les
solvants ont tout de même des effets : leur
polarité exerce une influence sur les spectres
d’absorption; on
observe
dans certains cas des
changements importants de λmax et d’εmax : on parle de
solvatochromie
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Les solvants :
Exemple de solvatochromie : la couleur d’une solution d’un
même composé dépend de la nature du solvant
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« Chimie Organique Avancée »
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