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Thème : OBSERVER : Analyse spectrale COMPRENDRE : Lois et modèles : Structure et transformation de la matière Type de ressources : spectre infrarouge et RMN Notions et contenus : - Spectre IR : identification de liaisons à l’aide du nombre d’onde correspondant ; détermination de groupe caractéristique - Spectre RMN du proton : Identification de molécules organiques (déplacement chimique, courbe d’intégration, multiplicité du signal) - Transformation en chimie organique : modification de groupe caractéristique, les grandes catégories de réaction : substitution, addition, élimination. Compétences travaillées ou évaluées : - Exploiter un spectre IR pour déterminer des groupes caractéristiques à l’aide de tables de données ou de logiciels. Associer un groupe caractéristique à une fonction dans le cas des alcool, aldéhyde, cétone, acide carboxylique, ester, amine, amide. Connaître les règles de nomenclature de ces composés ainsi que celles des alcanes et des alcènes. Relier un spectre RMN simple à une molécule organique donnée, à l’aide de tables de données ou de logiciels. Identifier les protons équivalents. Relier la multiplicité du signal au nombre de voisins. Nature de l’activité : Classe entière Résumé : Identifier le produit d’hydratation du but-1-ène dans des conditions différentes en réinvestissant les connaissances de spectroscopie IR et RMN Montrer que la spectroscopie infrarouge est idéale pour confirmer la présence de groupements fonctionnels et que la RMN valide la structure même de la molécule. Mots clefs : addition, hydratation, RMN, infrarouge, groupes caractéristiques, alcool, alcène. Académie où a été produite la ressource : NANTES http://www.pedagogie.ac-nantes.fr/02021464/0/fiche___pagelibre/ Sciences physiques et chimiques Analyse spectrale-Structure et transformation de la matière Table des matières 1. 2. 3. 4. Situation de l'activité dans la progression Activité possible Exemple de questionnement Analyse des spectres 1. Progression et situation de l’activité - PARTIE : COMPRENDRE / STRUCTURE ET TRANSFORMATION DE LA MATIERE. Représentation spatiale des molécules - PARTIE : COMPRENDRE / TEMPS, MOUVEMENT ET EVOLUTION 1. Temps et évolution chimique : cinétique et catalyse 2. Transformation chimique en chimie organique - PARTIE : OBSERVER / ondes et matière Analyse spectrale : UV, Infrarouge et RMN. Cette activité se situe après avoir traité l’ensemble de ces notions. Il s’agit de réinvestissement et d’approfondissement : Reconnaître les groupes caractéristiques dans les alcools, acide carboxylique, ester, aldéhyde, cétone, amine et amide. Utiliser le nom systématique pour en déterminer les groupes caractéristiques et la chaîne carbonée. Déterminer la catégorie d’une réaction (substitution, addition, élimination) à partir de l’examen de la nature des réactifs et des produits. Exploiter les spectres RMN et IR. Objectif : Exploitation de spectre IR et RMN autour de différente transformation Site ressource pour les spectres IR et RMN : http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/direct_frame_top.cgi 2. Activité possible : Le chimiste dispose de plusieurs stratégies de synthèse pour fabriquer des alcools. Deux voies sont envisagées à partir du même réactif de départ, mais conduisent-elles au même produit ? A. On réalise l’hydratation du but-1-ène en milieu acide Comment s'assurer que le produit obtenu lors de la réaction suivante est bien celui attendu ? Des analyses spectrales ont été réalisées : infrarouge et RMN. Spectre IR du but-1-ène Spectre IR du produit formé Spectre RMN du produit 1 obtenu. En rouge on a les résultats de la courbe d’intégration. B. La réaction est réalisée dans d’autres conditions (hydroboration BH3 puis action de H2O2 en milieu basique). La chaine carbonée n’est pas modifiée. Obtient-on le même produit ? Spectre RMN : s= singulet / t= triplet /M= multiplet (ppm) 0,94 1,39 1,53 2,24 3,6 intégration signaux 3H t 2H M 2H M 1H s 2H t 3. Exemple de questionnement possible. A. On réalise l’hydratation du but-1-ène en milieu acide - De quel type de réaction s’agit-il ? Justifier. La réaction ne se fait pratiquement pas si le milieu n’est pas acidifié, quel est le rôle des ions H+(aq) ? Quelle sont les fonctions présentes sur le réactif et le produit de la réaction ? Rechercher dans les tables les bandes caractéristiques de chacune de ces fonctions. Que doit-on observer sur le spectre Infrarouge du produit attendu ou, que ne doit-on plus observer ? A partir de l’étude des spectres infrarouges du but-1-ène et du produit obtenu que pouvez-vous conclure ? Interpréter le spectre RMN du produit, confirme-t-il les conclusions précédentes ? B. La réaction est réalisée dans d’autres conditions (hydroboration BH3 puis action de H2O2 en milieu basique).(la chaine carbonée n’est pas modifiée) - - Quels renseignements nous donne le spectre infrarouge ci-dessous du produit formé. S’agit-il du même produit que dans la réaction 1 ? Justifier. Proposer une formule développée pour ce composé isomère du précédent. Cette structure est-elle compatible avec le spectre RMN du composé obtenu ? Conclure sur l’influence des conditions opératoires lors d’une synthèse ? 4. Analyse des spectres : A partir des tables, identification des bandes caractéristiques : - Présence d’une bande vers 3080 cm-1correspondant à la liaison =CH et vers 1640 cm-1pour la liaison C=C pour l’alcène. - Pour la fonction alcool on doit avoir : o une bande large vers 3340 cm-1 pour la liaison OH d’un alcool secondaire o une bande vers 1100 cm-1 pour la liaison C-O. - On attend la formation d’un alcool et la disparition de la liaison C=C, donc doit apparaitre sur le spectre les bandes vers 3340 cm -1 (liaison OH) et vers 1100 cm1(C-O). Par contre doit disparaitre les bandes à 3080 cm -1 (la liaison =CH) et vers 1640 cm-1(la liaison C=C) pour l’alcène. - C’est bien ce que l’on constate sur le spectre du produit. On peut affirmer que la réaction conduit bien à un alcool puisque l’on retrouve les bandes qui caractérisent cette fonction. Mais on n’est pas certain de sa structure. Le spectre RMN montre 5 signaux donc 5 types de protons que l’on retrouve sur la molécule CH3-CH2-CH(OH)-CH 3 Un triplet à 0,9 ppm pour 3H, donc couplé à un CH2 , Un doublet vers 1,2 ppm pour 3H du méthyle ; couplé à un voisin le CH. Un multiplet vers 1,46 ppm pour une intégration de 2H ; il s’agit de CH2 d’après les tables (CH2 couplé au CH et CH3) Un singulet (intégration 1) à 2,4 ppm correspond au H de OH d’après les valeurs des tables. Il reste un multiplet à 3,7 ppm pour une intégration de1 correspondant au CH couplé avec CH2 CH3 et OH, d’où la multiplicité du signal. Ce spectre RMN permet de valider la structure du produit attendu. - - La réaction est réalisée dans d’autres conditions : Le spectre infrarouge du produit formé montre une bande caractéristique vers 3350 cm-1, bande large caractéristique de la fonction alcool. La comparaison des deux spectres des deux produits obtenus montre que les bandes dans le domaine 1300-500 cm-1, sont différentes. Or il s’agit du domaine qui caractérise un composé, c’est son empreinte digitale. Il s’agit donc de deux composés différents. Il s’agit donc d’un alcool isomère du butan-2-ol. La chaine carbonée n’est pas modifié la seule possibilité est d’avoir la fonction alcool en bout de chaine : le butan-1-ol. D’après les intégrations des différents signaux, on doit avoir CH3, 3 CH2 et un signal pour 1H pour OH Ce qui se confirme avec le butan-1-ol. De plus un CH2 lié à O à un déplacement chimique entre 3,6 et 3,7ppm ce qui se confirme ici. Ce CH2 est couplé avec les protons du CH2 suivant et sort sous forme d’un triplet. Le CH3 est couplé avec 2H donc sort sous forme d’un triplet vers 0,9 ppm. Les deux autres CH2 ont plusieurs voisins (4 ou 5 et donnent des multiplets (différentes constantes de couplage). Suivant les conditions opératoires, et les réactifs utilisés à partir du but-1-ène on pourra obtenir soit un alcool primaire (butan-1-ol) soit un alcool secondaire (butan-2ol). Le chimiste aura donc la possibilité d’obtenir le produit désiré en jouant sur ces paramètres. Il faudra donc réfléchir à une stratégie efficace pour obtenir le produit voulu.
