SPECTROSCOPIE ORGANIQUE Introduction • La spectroscopie est l’étude des interactions entre le rayonnement élecromagnétique et la matière. Nature de la lumière - Théorie Théorie corpusculaire (Newton) : La lumière est un ensemble de rayonnements formés de corpuscules, toujours animés de la vitesse limite et transportant de l’énergie par quantité précise appelée QUANTUM. Théorie ondulatoire (YOUNG) : La lumière est un état vibrationnel qui se propage comme des ondes. Ces deux aspects ( ondulatoire corpusculaire ) des radiations, ne sont que deux représentations incomplètes mais complémentaires... L’aspect ondulatoire privilégie la notion de fréquence υ ou longueur d’onde λ, l’aspect corpusculaire privilégie la notion d’énergie E. Dans la théorie de la mécanique ondulatoire due à Louis de Broglie (1924), à toute onde électromagnétique de fréquence υ, doivent être associés des corpuscules (photons) d’énergie E = h υ. (le quantum de la théorie corpusculaire). RAPPORT ONDE-MATIERE • • Une onde électromagnétique (OEM) est une variation périodique de champ électrique et magnétique. Cette onde peut être absorbée par un récepteur (liaison) qui possède un moment dipolaire. Soumis à une attraction sinusoïdale, un dipôle peut se mettre à tourner ou à vibrer. Pour les énergies plus fortes la liaison peut être rompue. A cette échelle les énergies sont quantifiées. C'est à dire, pour la liaison chimique seules certaines valeurs, discontinues d'énergie sont possibles. Pour les ondes, la quantification est plus nette et directement reliée à la fréquence (ou à la longueur d'onde) de la radiation selon E = hυ : relation de PLANK avec h = 6, 626 10-34 J.s E est un quantum d'énergie. Les absorptions et les émissions sont faites par valeurs entières de quanta. • On montre que les énergies moléculaires peuvent être classées de la plus faible à la plus grande selon l'ordre suivant : E translation < E rotation < E vibration < E électronique liaison Les différences sont de quelques puissances de 10. • A l’exception de l'énergie de translation qui n'est pas directement reliée à l'énergie transportée par les OEM, les autres types d’énergies sont quantifiés, et peuvent donner lieu à des échanges avec les OEM : L’absorption d’un quantum permet le passage de la molécule au niveau d'énergie supérieur, par émission en revenant au niveau d'énergie inférieur, la molécule émet une onde électromagnétique. • le quanta absorbé doit être au moins égal à la différence entre les niveaux d'énergie possibles de la molécule. • Quand la molécule absorbe un quantum, différentes variations d’énergie peuvent avoir lieu en fonction du type d’OEM absorbée: Le spectre électromagnétique de la lumière Composition. • • La plupart des méthodes physiques d’analyse des structures des molécules organiques résultent d’une interaction de la matière avec les radiations électromagnétiques de différentes énergies. Selon cette énergie, l’effet sur les molécules est différent. les différentes parties du spectre électromagnétique. nous donne une bonne idée de l’étendue de ce spectre et des diverses régions utiles SPECTROMETRIE DANS L'UV-VISIBLE La spectrophotomètrie UV / Vis ns donne des informations sur les diverses transitions électroniques et la conjugaison des molécules. Le domaine UV-Visible s'étend de 80 à 800 nm • L’UV lointain: 80- 200 nm • L’UV proche: 200-400 nm • Le Visible: 400-800 nm • Un soluté coloré ou chromophore absorbe la lumière visible (longueurs d'onde comprises entre 400 et 800nm) on parle de spectrophotocolorimétrie ou plus simplement de colorimétrie. Certaines solutions absorbent dans l'ultraviolet (longueurs d'onde inférieures à 380 nm), on parle alors de spectrophotométrie UV.. • • • • • • • Violet: 400 - 420 nm Indigo: 420 - 440 nm Blue: 440 - 490 nm Green: 490 - 570 nm Yellow: 570 - 585 nm Orange: 585 - 620 nm Red: 620 - 780 nm Décomposition de la lumière blanche • Les ondes électromagnétiques sont généralement caractérisées par les grandeurs suivantes : • Longueur d'onde l (lambda) : unité de longueur (distance) qui sépare deux pics d'onde (exprimée généralement en nanomètre: nm), • Nombre d'onde s (sigma) : nombre d'onde par unité de longueur, (exprimé généralement en cm-1), • Fréquence n (nu) : nombre d'onde par seconde (exprimé en Hz). • Ces grandeurs sont reliées par la relation suivante : • Où c la célérité, est la vitesse de la lumière (3.108 m.s-1). •On appelle domaine ultraviolet le rayonnement pour lequel l est comprise entre 10 nm et 400 nm •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). •Le domaine du visible s'étend de 400 nm à 800 nm; cette gamme de mesure est atteinte avec le même spectromètre Un spectre UV ( ou visible ) résulte de l'absorption de radiations UV ( ou visibles ) par une molécule. Dans les régions UV et visible, les longueurs d'onde correspondent à des différences d'énergie ΔE = E2 - E1 ( ΔE = hc / l avec l, longueur d'onde de la radiation ) qui affectent le domaine des transitions électroniques : passage d'une orbitale d'énergie E1 à une orbitale d'énergie E2 plus élevée. En UV - visible, le retour de l'état excité à l'état fondamental se fait par restitution sous forme de lumière de l'énergie absorbée. Spectrophotométrie • La spectrophotométrie est une méthode analytique quantitative qui consiste à mesurer l'absorbance ou la densité optique d'une substance chimique donnée en solution. Plus cette espèce est concentrée plus elle absorbe la lumière dans les limites de proportionnalités énoncées par la loi de Beer-Lambert. Lorsqu’une lumière d’intensité passe à travers une solution, une partie de celle ci est absorbée par le(s) soluté(s). L’intensité de la lumière transmise est donc inférieure à . On définit l’absorbance de la solution comme : On parle aussi de transmittance définie par la relation : Et donc: Principe de la loi de BEER LAMBERT • La relation de Beer-Lambert décrit que, à une longueur d’onde λ donnée, l’absorbance d’une solution est proportionnelle à la concentration des espèces de la solution, et à la longueur du trajet optique (distance sur laquelle la lumière traverse la solution). • Ainsi, pour une solution limpide contenant une seule espèce absorbante : • est l’absorbance ou la densité optique de la solution pour une longueur d'onde λ ; • (en mol.L-1) est la concentration de l’espèce absorbante ; • (en cm) est la longueur du trajet optique ; • (en mol-1.L.cm-1) est le coefficient d’extinction molaire de l’espèce absorbante en solution. Il rend compte de la capacité de cette espèce à absorber la lumière, à la longueur d’onde λ. Conditions de validité de la loi de Beer Lambert • Lumière monochromatique • Faibles concentrations • La solution ne doit être ni fluorescente, ni hétérogène (bulles, précipité…) • La solution n’est pas le siège d’une réaction photochimique. Propriétés additives de l’absorbance • La loi de Beer-Lambert est additive (mais non la transmittance). Ainsi, pour une solution contenant plusieurs espèces absorbantes, l’absorbance de la solution est la somme de leurs absorbances. Pour n espèces absorbantes : Appareillage Schéma de principe du spectrophotomètre L'appareil utilisé est un spectrophotomètre double faisceau Il mesure l’absorbance d’une solution à une longueur d’onde donnée. Le spectrophotomètre peut être utilisé pour - mesurer de manière instantannée une absorbance à une longueur d’onde donnée, - ou pour produire un spectre d’absorbance (spectrophotomètre à balayage). Dans ce dernier cas, le dispositif monochromateur décrit en un temps court l’ensemble des longueurs d’onde comprises entre deux valeurs choisies par l’opérateur. Choix des cuves Les cuves doivent être transparentes à la lumière qui les traverse. Elles font toutes, sauf exception, un centimètre de trajet optique. Suivant la nature du matériau utilisé : plastique (polystyrène ), verre ou quartz, le domaine de longueur d'onde utilisable est différent (le prix aussi d'ailleurs). • Cuves en plastique : elles sont bon marché mais elles ne résistent pas à la plupart des solvants organiques, domaine : 350 - 800 nm • Cuves en verre : résistent aux solvants, domaine : 300 - 800 nm • Cuves en quartz : pour obtenir des spectres dans l'UV lointain, mais ce sont les plus coûteuses, domaine : 200 - 800 nm Allure d’un spectre UV-Visible 1.0 UV Visible Absorbance lmax avec max 0.0 200 400 800 Longueur d’onde l, en général en nanomètre (nm) Le spectre d’une substance est caractérisé par : - la ou les longueurs d’ondes des maximums d’absorption (λmax). - La ou les valeurs des absorptions molaires correspondants (εmax). Les molécules poly atomiques ne donnent pas un spectre de raies mais plutôt un spectre de bandes. Diagramme énergétique d’une molécule • Comme E elect > E vib > Erot, , chaque transition électronique engendre plusieurs transitions vibrationnelles et rotationnelles. Absorption Définition (Absorption dans le visible): • Quand une substance pure est colorée, on dit : qu’elle absorbe dans le visible • Particularité de l’absorption : Si une substance absorbe dans le visible, elle ”confisque” une certaine longueur d’onde c’est à dire qu’une certaine couleur est ”enlevée”de la lumière blanche. • Les couleurs sont ”inversées”. `A chaque couleur, on peut donc associer une couleur complémentaire. • On voit donc ce qui ”reste”, c’est `a dire la couleur complémentaire de celle qui a été ”confisquée”. Cercle Chromatique Violet: 400 - 420 nm Indigo: 420 – 440 nm Bleu: 440 - 490 nm Vert: 490 - 570 nm Jaune: 570 - 585 nm Rouge: 620 - 780 nm Orange: 585 - 620 nm Exemple [Ti(H2O)6]3+ • On donne l = 500 nm donc correspond à une absorption dans le jaune : la solution est donc Violette. Cuivre en solution : • Le cuivre en solution est sous forme : Cu2+(aq) et la solution est colorée bleue. • Elle absorbe donc dans l’orange ( couleur complémentaire du bleu ) pour l = 580 nm. L’énergie absorbée est : DE = hc / l = 3.42 × 10−19 J La chlorophylle absorbe la part rouge de la lumière et donne la couleur verte aux feuilles On voit que un peu de bleu et un peu de rouge ont été absorbé. Structure classique de la chlorophylle Origine de l'absorption dans le Visible et l'Ultraviolet. • L'absorption de photons se traduit par des transitions d'électrons engagés dans les OM situées à la frontière entre les derniers niveaux occupés de l'état fondamental et les premiers niveaux non occupés des états excités Désorption d'un photon absorbé. • Après l'étape d'absorption, l'énergie captée peut être restituée soit par un processus non-radiatif, soit par émission de photons. Le processus non radiatif permet d'éliminer l'énergie accumulée par transfert vers d'autre molécules ou par vibration-rotation (émission IR) jusqu'au niveau de vibration le plus bas et le niveau électronique fondamental. Dans le cas des processus radiatifs le retour à l'état électronique fondamental se fait sans changement de mode vibrationnel avec l'émission d'un photon dans le domaine de l'UV-Visible. • Ces processus sont la fluorescence (retour au niveau v=0, état électronique singulet excité puis émission d'un photon (dans les 10-8 seconde)) et la phosphorescence (conversion dans un état triplet excité, retour au niveau v=0, état électronique triplet excité puis émission d'un photon (dans la seconde ou la minute)). Transitions électroniques Etat excité s* p* Orbitales anti-liantes n : Orbitale non liante Etat fondamental p s Orbitales liantes Il existe 3 types d’électrons : σ, π et n. L’absorption de photon par une molécule provoque une transition plus ou moins probable, la bande correspondante est caractérisée par sa position λmax et par son intensité εmax. ● λmax correspond exactement à la longueur d’onde de la radiation dont l’énergie ∆E = h C/ λmax provoque la transition électronique ●L’intensité de l’absorption εmax dépend de 2 facteurs : - La probabilité de transition qui dépend essentiellement des symétries de l’état excité et de l’état fondamental. - La polarité de l’état excité : l’intensité de la bande d’absorption est d’autant plus grande que l’état excité correspondant est polaire càd qu’il y a variation importante du moment dipolaire. Termes employés en spectroscopie UV • Chromophore : groupement insaturé responsable d'absorption caractéristique. • Auxochrome : groupement saturé contenant des e- non liants qui, lié à un chromophore, modifie à la fois λmax et l’intensité du maximum d’absorption (OH, NH2, Cl, …) • Effet bathochrome : déplacement des bandes d’absorption vers les grandes longueurs d’ondes. • Effet hypsochrome : déplacement des bandes d’absorption vers les faibles longueurs d’ondes. • Effet hyperchrome : augmentation de l’intensité d’absorption. • Effet hypochrome :diminution de l’intensité d’absorption. • Point isobétique : point commun à un ensemble de courbe d’absorption d’un composé tracé à différentes valeurs de pH. Chromophores élémentaires > C = C < (alcène) - C-C - (alcyne) > C = O (cétone) - CH = O (aldéhyde) - COOH (acide) - COCl (chlorure d'acide) - CONH2 (amide) - COOR (ester) - NO2 (nitro) - N = N - (azométhane) lmax (nm) max (L.mol-1.cm-1) 173* 178* 290 279 208 220 220 211 214 338 10000 2000 16 15 32 100 63 57 17 4 Transition s→s* • • • La grande stabilité des liaisons des composés organiques se traduit par un écart important entre les niveaux orbitalaires frontières correspondants. Cette transition est intense et située dans le lointain UV, vers 130 nm ( lmax, éthane = 135 nm, = 10 000). C'est pourquoi les hydrocarbures saturés, tels l'hexane ou le cyclohexane, qui ne présentent que des liaisons de type s, sont pratiquement transparents dans le proche UV. Transition n→p * • Cette transition résulte du passage d'un électron d'une OM non-liante n à une OM antiliante p*. • Ce type de transition est rencontré, dans le cas des molécules comportant un hétéroatome porteur de doublets électroniques libres appartenant à un système insaturé. La plus connue est celle qui correspond à la bande carbonyle, facilement observable, située entre 270 et 280 nm. • Le coefficient d'absorption molaire est faible : pour l'éthanal par exemple, max= 293 nm et = 12 (éthanol). • La polarité de la liaison est modifiée après absorption du photon. Ceci permet de comprendre pourquoi la nature du solvant peut influer sur la position de la bande d'absorption. • Les transitions n→p * présentent une intensité relativement faible car elles sont en partie interdites : < 1000 l mol-1 cm-1. • On peut citer les exemples caractéristiques suivants: Effet des solvants sur la transition n → π* • Les solvants polaires sont capables de faire des liaisons hydrogène avec les doublets libres de l’oxygène du groupement carbonyle, ils stabilisent ainsi l’état fondamental par comparaison avec les solvants non polaires. • A l’état excité, cette solvatation est fortement diminuée ; le passage d’un solvant non polaire à un solvant polaire doit faire augmenter l’énergie de la transition n → π*ce qui induit un effet hypsochrome (λmax diminue). Schéma!! Effet de solvant sur la Transitions n - π* λ(eau ) < λ( heptane ) et (ΔE ( eau ) > ΔE ( hexane ) Si la polarité du solvant augmente, une transition n -> π * d'une cétone subira un effet hypsochrome (λmax décroît) Transition p→p* • Les composés, qui possèdent une double liaison éthylénique isolée, conduisent à une forte bande d'absorption vers 170 nm (éthylène lmax = 165 nm, = 16 000) dont la position dépend de la présence de substituants hétéroatomiques. Ces bandes K sont associées aux systèmes π et ont en général des ε max >104 (Transitions permises) . λ(eau ) < λ( heptane ) et (ΔE ( eau ) > ΔE ( hexane ) si la polarité du solvant augmente, une transition n -> π * d'une cétone subira un effet hypsochrome (λmax décroît) Effet des solvants sur la transition p→ p* • Les hydrocarbures conjugués (C=C-C=C) ne sont pas polaires, car les doubles liaisons ne sont pas polaires, le λmax ne change donc pas avec la polarité du solvant Les énones (O=C-C=C) ont leur λmax qui augmente avec la polarité du solvant car l’état excité est plus polaire que l’état fondamental. • Dans le cas de la transition π → π*, on observe donc un effet de solvant inverse par comparaison avec la transition n → π* : il est donc possible à partir de l’effet de solvant de déterminer la nature d’une bande. Schéma !! Effet de solvant sur la Transitions π - π* λ(eau) > λ(heptane) et (ΔE (heptane) > ΔE (eau) Si la polarité du solvant augmente, une transition π -> π * subira un effet bathochrome ( λmax croît ). λ(eau) > λ(heptane) et (ΔE (heptane) > ΔE (eau) Règle : si la polarité du solvant augmente, une transition π -> π * subira un effet bathochrome ( λmax croît ). Maximum d'absorption du nitrométhane dans différents solvants. Solvant Eau Methanol Ethanol Chloroforme Hexane εr 78 33 24 4,8 2 λmax 268,5 270 272 274,5 275 Maximum d'absorption du nitrobenzène dans différents solvants Solvant Eau Ethanol Hexane Vapeur εr 78 24 2 1 λmax 265,5 259,5 251,8 239,1 Transitions d - d * • Dans les complexes des métaux de transition, on assiste sous l’effet du champ cristallin à la levée de dégénérescence des orbitales d qui aboutit à une différence d’énergie • L’ordre de grandeur de cette énergie correspond souvent à la gamme du visible et est à l’origine de nombreux pigments minéraux (chlorophylle, hémoglobine...). • Les coefficients d’extinction molaires sont souvent très faible, de 1 à 100 l.mol-1 cm-1 car ces transitions sont en partie interdites. Exemple de spectre UV Chromophores des systèmes conjugués • • • Si plusieurs chromophores sont juxtaposés dans une même molécule, l'ensemble forme un système conjugué de chromophores Plus le nombre d'atomes sur lequel le système conjugué s'étend, plus la délocalisation spatiale des électrons est importante et plus l'écart entre niveau fondamental et niveau excité diminue. Le spectre d'absorption est déplacé "vers le rouge" (effet bathochrome) avec augmentation d'intensité (effet hyperchrome); ce phénomène est appelé stabilisation par résonance de l'état excité. Cet effet est à l'origine de la couleur de nombreux composés naturels dont les formules semi-développées présentent des chromophores conjugués étendus. Ainsi la couleur orangée du b -carotène (formule ci-dessous), provient de la réunion de onze doubles liaisons conjuguées entre elles lmax = 497 et 466 nm dans le chloroforme). C double C C simple conjugaison C double C C conjugaison Effet Bathochrome dû à la conjugaison Les transitions électroniques les plus courantes Absorptions caractéristiques des composés organiques Composés saturés Exemple : CH3-CH3 : λmax = 135nm CH3OH : λmax (n…. σ*) = 177nm (ε = 200) CH3Cl : λmax (n…. σ*) = 173 nm (ε = 200) Composés contenant des chromophores isolés ► transitions n→π*, π→ π* et même n→ σ*. Exemple : CH2 - CH2 : λmax (π→π*) = 163 (15000) (CH3)2CO : λmax (n→σ*) = 166nm (1600) λmax (π→π*) = 189 (900) λmax (n →π*) = 279 (15) Dans l’hexane. ► Effet bathochrome - l’hyper conjugaison due aux e- σ des substituants alkyls sur un chromophore. ► Les chromophores séparés par au moins un groupement CH2 absorbe à la même longueur d’onde que s’ils étaient isolés. Exemple : CH3CH-CH2 : λmax = 184 nm (ε) (CH3CH-CH)2- : λmax = 184 nm (ε’ = 2 ε) Les polyènes conjugués ►Le regroupement des orbitales π dans les diènes conjugués lorsque la coplanéité le permet, entraîne un effet bathochrome % à une double liaison isolée. composés carbonylés α, β insaturés ► Le spectre des énones est caractérisé par une bande K intense dans la région 214 – 280 nm. - Les énones S-trans : ε max de l’ordre de 7500 à 20 000 - les S-cis : ε max de 3000 à 12500 ► λmax des composes carbonylés α, β insaturés dépend de la nature des solvants alors que celle des diènes conjugués n’en dépend pas. Composés aromatiques ►L’absorption en UV des composes aromatiques, comme leur chimie, diffère de celle des composés aliphatiques. Le benzène : • Le benzène montre 3 groupes de bandes d’absorption qui résultent de transitions π… π* et que l’on note E1, E2 et B (notation de Braude). – K : 184 (55 000): E1 – B : 203 (7 400): E2 – R : 254 (205): B E: Ethylénique B: Bénzénique solvant : H2O Les alkylbenzènes • L’hyper conjugaison produit un effet bathochrome sur la bande B lorsque des groupements alkyls sont introduits sur le noyau aromatique, la structure fine est conservée. ANALYSE QUANTITATIVE • L’analyse quantitative consiste à doser, c’est-à-dire déterminer la concentration d’un composé dans un aliment. Quelques constituants alimentaires peuvent être dosés directement, mais la majorité d’entre eux le sont par dosage indirect. Dosage direct • Le dosage direct consiste à mesurer l’absorbance d’un composé qui absorbe de façon importante la lumière dans la région ultraviolette ou visible • Le benzoate de sodium qui absorbe dans l ’ultraviolet et les colorants alimentaires synthétiques qui absorbent dans le visible en sont des exemples. Dosage indirect • Le dosage indirect consiste à transformer, par une réaction chimique spécifique, un composé peu absorbant en un autre composé qui absorbe fortement la lumière dans la région du spectre visible. C’est donc dire que le produit de la réaction est coloré. Comme la concentration du composé coloré est proportionnelle à celle du composé de départ, on dose donc indirectement ce dernier en mesurant l’absorbance du composé coloré : • Composé A + (peu absorbant) Réactif(excès) Composé B + Réactif(non réagi) (coloré) Dosage colorimétrique De nombreux constituants alimentaires peuvent être dosés indirectement par colorimétrie. Exemples: • les sucres (glucose, fructose, sucrose, lactose par des réactions enzymatiques), • les protéines (réaction du biuret), • les métaux (antimoine, arsenic, cadmium, fer, titane, etc.), • le phosphore, • certains acides organiques, etc. Dosage colorimétrique indirect par les méthodes enzymatiques • • Les méthodes d’analyse enzymatique des aliments sont basées sur des réactions enzymatiques d ’oxydation de différents constituants alimentaires en présence des coenzymes NAD ou NADP. L’absorbance des coenzymes réduits NADH ou NADPH produits par les réactions est mesurée à 340 nm. Comme la concentration de NADH ou de NADPH est proportionnelle à celle du constituant alimentaire analysé, on dose donc indirectement le constituant. NAD: Nicotinamide adénine di nucléotide (coenzyme) • Principe général Exemple : Dosage du lactose et/ou galactose • D-glucose + D-galactose Lactose + H2O bgalactosidase • D-galactose + NAD+ 260 nm Gal-DH Ac. galactonique + NADH + H+ 334 nm Cas d'une seule substance absorbante Loi de LAMBERTBEER À cause d’interactions chimiques entre les molécules à forte concentration, la loi de Beer-Lambert n ’est valable qu’’aux faibles concentrations, d’où la nécessité de faire une courbe d’étalonnage (absorbance - concentration) pour le dosage d’un composé. : - coefficient d'absorption spécifique si la concentration est exprimée en mg.L-1, ou - coefficient d'absorption molaire si la concentration est exprimée en mol.L-1. dépend de la nature de la substance absorbante et de la longueur d'onde. • La valeur de à une longueur d'onde donnée peut être précisément déterminée par un étalonnage à l max. A= f(C) est une droite passante par l'origine, de pente .l. • La loi de Beer-Lambert étant généralement vérifiée dans l'intervalle d'absorbance 0-1,3 ; les concentrations des solutions étalons (au moins 5 solutions) seront choisies de façon à couvrir tout cet intervalle. • De façon à avoir la précision la plus grande possible dans la détermination de la concentration de la solution inconnue, l'absorbance mesurée pour cette solution (éventuellement diluée) doit être comprise dans le tiers supérieur de la partie linéaire de la courbe d'étalonnage. Cas de plusieurs substances en solution • S'il n'y a pas d'interaction chimique, l'absorbance A d'une solution est la somme des absorbances que l'on obtiendrait si chacune des substances était successivement seule en solution. • Par exemple considérons un mélange de 2 substances J et R, on a pour toute longueur d'onde l : Al = J,l .l. [J] + R,l .l. [R] • Pour connaître les concentrations des deux substances J et R dans un mélange, il est tout d'abord nécessaire de déterminer les coefficients d'absorption de chaque composé aux deux longueurs d'onde de travail (J,lJ , J,lR, R,lJ et R,lR ). On effectuera pour cela quatre étalonnages tels que décrit dans le cas d'une substance pure. Puis, on mesure l'absorbance du mélange aux deux longueurs d'onde lJ et lR. Connaissant J aux deux longueurs d'onde (J,lJ et eJ,lR) et R aux deux mêmes longueurs d'onde (R,lJ et R,lR ) on résout le système suivant obtenu pour ces deux longueurs d'onde . AlJ = l. (J,lJ . [J] + R,lJ . [R]) AlR = l. (J,lR . [J] + R,lR . [R]) C'est un système de deux équations linéaires à deux inconnues dont la résolution donne les concentration en J et en R cherchées. Stratégie d'analyse d'une solution colorée connaissant le composé principal • Préparation d'une solution étalon contenant le composé principal à une concentration connue En l'absence d'information sur les valeurs du coefficient d'absorption aux différentes longueurs d'onde, la concentration de la solution sera choisie de façon arbitraire • Enregistrement du spectre de la solution étalon (le maximum d'absorbance de ce spectre ne devant dépasser 1,3 unité d'absorbance, il pourra être nécessaire d'ajuster la concentration de la solution étalon) - Détermination de la longueur d'onde du maximum d'absorption - Estimation du coefficient d'absorption à cette longueur d'onde - Estimation de la gamme de concentration des solutions pour la gamme d'étalonnage (absorbance comprise entre 0 et 1,3) • Enregistrement du spectre de la solution à analyser (l'absorbance de ce spectre ne devant dépasser 1,3 unité d'absorbance, il pourra être nécessaire d'ajuster la concentration de la solution à analyser) - Vérification de la position du maximum d'absorption - Estimation de la concentration de la solution à analyser • Vérification de l'absence d'un composé interférant En l'absence de composé interférant, l'absorbance de la solution étalon doit être proportionnelle à l'absorbance de la solution à analyser, ceci à toute les longueurs d'onde (à vérifier sur plusieurs longueurs d'onde). Si le composé interférant est connu, tracer son spectre et estimer les valeurs du coefficient d'absorption aux différentes longueurs d'onde. On choisira une longueur d'onde de travail pour laquelle la contribution du composé interférant est négligeable (l'absorbance est reliée à la fois à concentration et au coefficient d'absorption de ce composé). Il faut toutefois veiller à ce que l'absorbance du composé à doser reste dans l'intervalle 0-1,2. Si une telle longueur d'onde ne peut être trouvée, on appliquera la méthode pour plusieurs substances en solution. Si le composé (ou les composés) interférant est inconnu, une méthode de séparation devra être envisagée. • Construction de la gamme d'étalonnage pour la longueur d'onde choisie - Préparation des solutions - Mesure de l'absorbance - Calcul des paramètres de la droite de régression • Détermination de la concentration dans la solution inconnue - Mesure de l'absorbance - Calcul de la concentration et de l'erreur sur la concentration APPLICATIONS Analyse Qualitative ►détecte les groupements fonctionnels chromophores mais ne permet pas l’identification de certaines structures de molécules, elle doit toujours être complétée par d’autres informations physico-chimiques d’origine spectrale (IR, RMN, SM…) ou chimique comme le point de fusion, d’ébullition, réactions colorées,… ► L’UV permet d’identifier la présence d’impuretés qui se manifeste par une modification de max et par la présence d’autres bandes supplémentaires . ► on l’utilise aussi soit pour une confirmation soit pour une identification grâce à des règles empiriques et à la comparaison avec des spectresréférences Analyse Quantitative axée principalement sur des applications utilisant la loi de BEER LAMBERT. ►Etalonnage ► Analyse de mélange En employant l’additivité de la loi de Beer-Lambert et en déterminant l’absorbance à n longueurs d’onde si le mélange contient n composés. ► Dosage de substances non absorbantes ► Détermination des constantes d’équilibre d’acide faible Règles WOODWARD pour les composés carbonylés a,b insaturés Applications les plus courantes La spectrométrie s’utilise principalement dans deux cas : • en laboratoire afin d’établir un tracé quantitatif d’un spectre d’absorption ou de réflexion en fonction de la longueur d’onde • en analyse industrielle soit pour déterminer la composition d’un échantillon, soit pour mesurer des paramètres (couleur, turbidité, ...). • En outre de nombreuses substances inorganiques ou organiques qui n’absorbent pas les UV ou le visible, réagissent avec des chromophores dont on peut aisément suivre l’évolution. Exemples d’application • Turbidité et analyse granulométrique : la turbidité est un paramètre qui caractérise les suspensions de particules solides dans un liquide. Celles-ci provoquent une diffusion de la lumière incidente. On accède ainsi à leur concentration, leur taille, leur indice de réfraction, ... La mesure de la turbidité présente un grand intérêt dans le domaine agro-alimentaire: limpidité de l’eau, efficacité de filtres par exemple. • Mesure des couleurs : on analyse la lumière réfléchie par une surface. La couleur correspond au complémentaire du spectre réfléchi. • La mesure du phénol pur dans l’eau • La matière organique contenue dans l'eau et les effluents , les matières en suspension et les nitrates possèdent un spectre d'absorption dans le domaine UV
