2016-2017 Spectroscopie IR Spectrométrie IR – UE : VIII Semaine : n°14 (du 05/12/2016 au 09/12/2016) Date : 07/12/2016 Heure : de 8h00 à 9h00 Binôme : n°60 Correcteur : n°65 Remarques du professeur : Cours sous forme d'ED PLAN DU COURS 6) Analyse qualitative A) Identification B) Analyse fonctionnel 1) Professeur : Pr. Goossens Interprétation du spectre Exemple 1 : Spectre d'un alcane Exemple 2: Spectre d'un alcène Exemple 3 : Spectre d'un alcyne Exemple 4 : Spectre d'un aromatique Exemple 5 : Spectre d'un alcool Exemple 6 : Spectre d'une cétone Exemple 7: Spectre d'un aldéhyde Exemple 8 : Spectre d'un acide carboxylique Exemple 9 : Spectre d'un ester Exemple 10 : Spectre d'une amine 7) Analyse quantitatives A) Loi de Beer-Lambert 1) Moyen infra rouge 2) Proche infra rouge Conclusion 1/8 2016-2017 Spectroscopie IR 6) Analyse qualitative B) Analyse fonctionnel Interprétation du spectre A l'image de la RMN, où on nous donnera les indications de déplacements chimiques. En IR, c'est à nous d'avoir une idée d’où se situe les différents type de vibrations. On a donc des vibrations dites de valences depuis 600 cm^1 jusqu'à 4000 cm^-1, étant directement proportionnel à l'énergie. Il y a toujours cette relation qui relie le nombre d'onde a l'énergie. Il faut avoir ce raisonnement, à savoir si je veux analyser un spectre IR, je dois d'abord savoir où se situe les groupements caractéristiques d'une molécule. En 2ème année le professeur nous donnera la structure, on devra alors caractériser ces structures par des signaux correspondant au spectre. Méthode d’étude d’un spectre infra-rouge: Rechercher la présence d'un groupement : O-H vers 1700 cm^-1. Si oui : trouver d'autres bandes caractéristique des fonctions C=O : -doublet C-H des aldéhydes entre 2650-2800 cm-1 - bande large et intense O-H des acides entre 2500-3300 cm-1 -bande très forte C-O des esters à 1200 cm-1 Rechercher la présence de bandes fortes et pas trop larges vers 2500-3300 cm-1 . Il s’agit d’élongations O-H des alcools 3350 cm-1, -N-H des amines (deux bandes pour les primaires, une pour les secondaires), -C-H des alcynes vrais vers 2800-3100 cm^-1 En l’occurrence, on aura ces types de vibrations dites de valence entre un carbone et un hydrogène toujours au x alentours de 3000 cm^-1. On peut également avoir un alcool, une amine ou encore un acide carboxylique. La masse réduite des groupements O-H, C-H, N-H est très petite, selon la loi de Cook ils se situent à un nombre d'onde très élevé. Ensuite pour caractériser un spectre, si on a par exemple un halogène, il y a de très grande chance d'avoir un signal très intense. Un peu plus loin, environs vers 1000 cm^-1 on va regarder les vibrations de valences des atomes C-C. évidement il peut y avoir des signaux conjugués, a nous de dire par exemple que la vibrations de valence est a la fois C-C et C-O. 2/8 2016-2017 Spectroscopie IR Exemple 1 : Spectre d'un alcane Tout de suite, la première chose à voir, c'est la vibration de valence qui concernent les masses réduites C-H, bande très large aux alentours de 2800-3000 cm^-1(A) Aux alentours de 1500 cm^-1, la liaison C-C (B), signal relativement large contrairement aux vibrations de déformations qui sont des signaux beaucoup plus fins (C) qui implique un carbone lié à un hydrogène . Exemple 2 : Spectre d'un alcène : Où une double liaison est présente dans la structure mais il n'y a pas que des doubles liaisons , il y aussi des liaisons simples. Donc on retrouve sur la gauche, un signal plutôt large correspondant aux vibrations de valences C-H (A). En quoi ce spectre discrimine l'alcane de l'alcène ? C'est la double liaison C=C avec un signal très fin vers 1600 cm^-1, qui caractérise les alcènes. On retrouve comme pour le spectre de l'alcane une bande large de vibration de valence C-C. On remarque aussi à droite des vibrations de déformations . Seconde spectre alcène : 3/8 2016-2017 Spectroscopie IR Ce second spectre permet de montrer que les signaux sont beaucoup plus intenses lorsqu'on a une conjugaison de double liaisons. Exemple 3 : Spectre d'un alcyne On va retrouver des vibrations de valence C-H vers 3000 cm^-1 (B), comme pour les alcanes et les alcènes. Ce qui caractérise un alcyne est le signal, vers 2000 cm^-1, correspondant à la triple liaison Carbone-Carbone (C). Encore plus décalé sur la gauche par rapport à la bande de valence C-H, C-H mais du carbone sp vers 3350 cm^-1 (A). Exemple 4 : Spectre d'un aromatique Forcement il y a des liaisons C-H, donc des vibrations de valence C-H entre 2800-3000 cm^-1 (B). Encore une fois avec un autre signal pas complètement dissocié correspondant au carbone sp2(A). Ici il s'agit de l'orthoxylène qui est un aromatique substitué par 2 méthyles. (B) correspondant au C-H du méthyle, (A) correspondant au C-H de l'aromatique. Si on regarde bien, il y a un signal de type C-C (CCH3-C de l'aromatique) et C=C de l'aromatique (D). 4/8 2016-2017 Spectroscopie IR Exemple 5 : Spectre d'un alcool Un alcool va essentiellement se caractériser à gauche puisqu'on va avoir une vibration de valence O-H vers 3500 cm^-1 (A), elle se visualise très facilement. Le 2ème point qui caractérise les alcools est la largeur importante du signal O-H. Pour le reste il y a des vibrations de valences C-H (B) avec un pic large. Puis rien entre 2600 et 1500 cm^-1. Forcement ensuite des vibrations de valences C-C (C) et C-O (D). Pour le restes des vibrations de déformations un peu plus complexe que précédemment. Donc pour un alcool il faut visualiser la présence d'un signal O-H aux alentours de 3500-3600 cm^1 et la présence d'un signal C-O entre 1100 et 1200 cm^-1 (D). Un oxygène pour être ajouté dans d'autre fonctions chimique que celle de l'alcool comme par exemple les cétones Exemple 6 : Spectre d'une cétone C'est assez simple, il faut regarder, dans la zone la moins bruyante habituellement, la double liaison C=O aux alentours de 1600-1800 cm^-1 (D). Quand on sait qu'il y a un carbonyle dans la structure il faut forcement aller voir les vibrations de valence C-O vers 1700cm^-1. Ici on a un pentan-2-one, 5 carbones et donc des CH3 et des CH2 se traduisant par un signal entre 28003000 cm^-1 comme pour les alcanes. On observe aussi des vibrations de valences C-C en 1350 cm^-1 (G) et C-O entre 1100 et 1200 cm^-1 (H) comme pour les alcools. 5/8 2016-2017 Spectroscopie IR On a aussi des vibrations de déformation plus à droite. Exemple 7 : Specte d'un aldéhyde Structure très proche des cétones, les aldéhydes où la différence avec les cétones est assez subtile. On ne pourra donc pas trouver cette différence en C=O comme pour les cétones aux alentours de 1600-1700 cm^-1 (D). La différence se fera sur un carbone qui est porteur d'un H qui sera sp2, formant un doublet (E) aux alentours de 1600-1650 cm^-1 , ainsi que le doublet vers 2600 cm^-1 (C). Ces 2 doublet sont caractéristique des aldéhydes. Exemple 8 : Spectre d'un acide carboxylique Ce qui caractérise le fait qu'on a bien un acide se trouve à gauche, on y trouve une bande très large. La bande O-H (A) est très large lorsqu'il s'agit d'un acide elle s'étend de 2400 à 3400 cm^-1. Dans le cas d'un acide la bande O-H est bien plus large que pour celle d'un alcool. On retrouve la vibration de valence C=O vers 1700 cm^-1 (C), caractérisant la présence d'un carbonyle dans la structure. 6/8 2016-2017 Spectroscopie IR Exemple 9 : Spectre d'un ester La notion majeure qui caractérise le plus les esters est la très grande intensité des signaux ou la transmittance s'approche de zéro. Comme pour C=0 ou encore C-O. Exemple 10 : Spectre d'une amine En ajoutant un azote dans cette structure forcement on doit voir des signaux de vibrations de valence jamais vu précédemment, notament N-H au dela de 3200 cm^-1 (A), bande très peu intense. On retrouve C-H vers 2800 cm^-1 (B), très intense. On observe un autre bande a gauche du signal de CC, c'est le signal C-N vers 1500 cm^-1 (D) qui caractérise les amines. 7/8 2016-2017 7) Spectroscopie IR Analyse quantitative 1) Moyen infra rouge On peut utiliser l'IR pour une analyse quantitative, en utilisant les vibrations fondamentales, les vibrations de valences. On ne peut cependant pas appliquer une analyse quantitative si on a affaire à un appareil « classique » car la précision est faible avec une absorption calorifique non spécifique. En revanche, l'IR à transformée de Fourier (IRTF) est utilisée. Elle permet de faire des mesures en terme d'absorbance à partir des valeurs de la transmittance, et permet ainsi de faire des dosages. L'IRTF est très spécifique avec des variations des signaux importante avec un faible changement de concentration. On peut aussi couplé cet appareil à la méthode de chromatographie à partir du moment ou le composé n'absorbe pas dans l'UV. 2) Proche infra rouge Le proche infra rouge est la zone qui est proche de l'UV. Si on se rapproche de la zone UV on va avoir des vibrations de type harmonique et de combinaison. On peut par exemple grâce au proche infra rouge aller mesurer des taux d'hydromètrie. Pour doser l'eau dans un médicament par exemple grâce à des vibrations très caractéristiques, tel que O-H aux alentours de 3500 cm^-1 et aux alentours de 1650 cm^-1. La combinaison de ces 2 nombres d'onde soit 5145 cm^-1, permet de doser la teneur en eau d'un médicament, en repassant pas la longueur d'onde (ici 1940 nm). Ce dosage permet de détecter d'éventuels contrefaçons, notamment pour des médicaments honereux. Il est aussi possible de doser des protéines, des sucres ainsi que des matières grasses. Conclusion : Pour conclure sur cette notion d'IR a beaucoup d'avantages. C'est une technique très rapide, pas besoin de mettre en solution car possible directement sur un échantillon et obtenir directement le spectre. Outils très spécifique et fidèle. Jamais se contenter d'une seule technique, très souvent l'IR est couplé à la RMN et UV-Visible. Pour obtenir une plus grande quantité d'informations Il y a de nombreux développements autour de l'IR, notamment la chromatographie avec détecteur IRTF qui permet de doser un composé lorsqu'il n'est pas chromophore. Il est aussi utile dans le domaine de l'imagerie notamment pour le diagnostic en terme de brûlure , en dosant l'eau dans les tissus des brûlés avec le proche infra rouge en prenant une fibre optique. Même chose pour le contrôle des polymères biodégradable. 8/8