Déterminer la structure des molécules par spectroscopie (IR, RMN et UV) Connaître la nomenclature des molécules organiques

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1 Déterminer la structure des molécules par spectroscopie (IR, RMN et UV) PLAN 1 Connaître la nomenclature des molécules organiques A) Je sais représenter des molécules Les molécules organiques sont composées d une chaîne carbonée et de groupes caractéristiques. On peut utiliser deux types de représentation : la représentation semi-développée la représentation topologique (qui omet les atomes de carbone et les atomes d hydrogène qui leur sont liés) B) Je connais les différents types de molécules organiques Les molécules organiques possédant le même groupe caractéristique ont des propriétés chimiques communes et appartiennent à la même famille. Ces propriétés définissent la fonction chimiques des molécules. Alcool Aldéhyde Cétone Acide carboxylique Ester Amine Amide R-OH R-COH R -CO R-COOH R-COO-R NR R-CO-N-R C) Je sais nommer les chaînes carbonées Les chaînes carbonées ne comportant que des liaisons simples sont appelées alcanes et celles comportant une liaison double C=C sont appelées alcènes. Le nombre d atomes de carbone d une chaîne carbonée détermine le préfixe associé : 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 C 7 C 8 C

2 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 6 C 7 C 8 C Méth- Éth- Prop- But- Pent- Hex- Hept- Oct- On nomme alors les alcanes et alcènes avec les suffixes -ane et -ène. D) Je sais nommer les groupes caractéristiques On associe un suffixe au nom d une molécule selon son groupe caractéristique. Alcool Aldéhyde Cétone Acide carboxylique Ester Amine Amide -ol -al -one (acide) -oïque -oate (d'alkyle) -amine -amide 2 La spectroscopie UV-visible A) Je sais reconnaître un spectre UV-visible Un spectre UV-visible représente l absorption d un échantillon en fonction de la longueur d onde du rayonnement incident. Le domaine des UV correspond à nm. Le domaine visible correspond à nm. B) Je sais exploiter un spectre UV-visible Le cercle chromatique permet d obtenir la couleur de la molécule à partir du spectre UV-visible. 3 La spectroscopie IR A) Je sais reconnaître un spectre IR Un spectre IR représente la transmittance d une espèce en fonction du nombre d onde du rayonnement incident Le nombre d onde varie entre cm et 400 cm. Un spectre IR est constitué d une série de bandes d absorption qui pointent vers le

3 bas. B) Je sais exploiter un spectre IR pour le relier à une molécule organique Un spectre IR permet d obtenir des informations sur le groupe caractéristique dans la molécule observée. Chaque bande d absorption est associée à un type de liaison ce qui permet de retrouver le groupe caractéristique. La présence de liaisons hydrogènes au sein d un échantillon se traduit sur le spectre IR par la présence d une bande très large autour de cm La spectroscopie RMN A) Je sais reconnaître un spectre RMN Un spectre RMN, ou résonance magnétique nucléaire, présente des pics de résonance des molécules en fonction du déplacement chimique. L analyse d un spectre RMN permet de déterminer la structure de la chaîne carbonée et la position des groupements caractéristiques d une molécule. Des protons qui ont les mêmes atomes autour d eux (donc le même environnement électronique) dans une molécule sont équivalents. B) Je sais identifier des protons équivalents Des protons équivalents résonnent pour la même valeur du déplacement chimique. Ainsi connaître la résonance des protons permet de déterminer les atomes qui les entourent et donc la structure de la molécule. Un signal correspond donc à un groupe de protons équivalents. L'aire sous la courbe d'un signal de RMN est proportionnelle au nombre de protons responsables de ce signal. La courbe d'intégration du spectre est constituée de paliers. La hauteur de chaque saut vertical de la courbe d'intégration est donc proportionnelle au nombre de protons équivalents responsables du signal correspondant.

4 C) Je connais la règle des (n+1)-uplets Deux protons sont voisins s ils ne sont séparés que par trois liaisons : une liaison H- C, une liaison C-C et une liaison C-H. La règle des (n+1)-uplets : un proton voisin de n protons équivalents fournit un signal de (n+1) pics appelé (n+1)-uplet ex. : singulet, doublet, triplet, etc.

5 Déterminer la structure des molécules par spectroscopie (IR, RMN et UV) " EN PRATIQUE 1 Connaître la nomenclature des molécules organiques Je sais nommer les alcanes 1. Identifie la chaîne carbonée la plus longue, en rouge sur le schéma. Ici, on reconnaît qu il s agit d un alcane car la molécule n est composée que d atomes de carbone et d hydrogène reliés par des liaisons simples, on utilisera donc le suffixe - ane. 2. Puis numérote les atomes de carbone qui la composent. Ici, il y a 4 atomes de carbone, donc utilisera le préfixe but- avant -ane (ce qui donne butane). 3. Enfin explicite les différentes ramifications (qui auront le suffixe -yl) avec leur numéro. Ici, il y a une ramification (-yl) avec un seul atome de carbone (préfixe - méth) sur le numéro 2 (donc 2- méthyl).

6 On obtient donc la formule : 2-méthylbutane. Attention le numéro de la ramification doit être choisi le plus petit possible Nommer les alcènes 1. Identifie ce qui fait la particularité de cette molécule. Ici, on reconnaît un alcène, car il y a une liaison double entre deux atomes de carbone, on utilisera donc le suffixe -ène. 2. Puis numérote les atomes de carbone qui composent la chaîne la plus longue, en précisant le numéro du premier atome de la liaison -C=C-. Ici, le plus petit numéro composant la liaison -C=C- est le 2. On ajoute donc un 2 devant le suffixe -ène, ce qui donne 2-ène. 3. Compte le nombre total d atomes de carbone dans la chaîne principale. Ici, il y a 5 atomes de carbone dans cette chaîne, on utilisera donc le préfixe pent- avant le suffixe 2-ène, ce qui donne pent-2-ène. 4. Enfin explicite les différentes ramifications (suffixe -yl) avec leur numéro. Ici, il y a une ramification (-yl) avec un seul atome de carbone (préfixe méth-), sur le carbone numéro 3, ce qui donne 3-méthyl. On obtient donc la formule : 3-méthylpent-2-

7 ène. Attention le numéro du premier atome de la liaison C=C est choisi le plus petit possible Nommer des alcools, aldéhydes, cétones, acides carboxyliques, esters, amines et amides Procède comme pour les alcènes en remplaçant : le suffixe -ène par celui associé à la fonction le numéro du premier atome de la liaison -C=C- par le numéro de l atome rattaché au groupe caractéristique et rajoute -an au préfixe ex. : pentan-1-ol. Pour les esters, amines et amides, le groupe caractéristique peut avoir des ramifications. Pour les esters, cette ramification est notée après. Ex. : butanoate de propyle. Pour les amines et amides elle est notée avant, avec le préfixe N-. Ex. : N-éthyl-3-méthylbutan-1-amine. 2 La spectroscopie UV-visible Mettre en œuvre un protocole expérimental pour caractériser une espèce colorée

8 Protocole TP BAC 1. Place l échantillon de l espèce dans un spectrophotomètre ou spectroscope selon le type de technique. 2. En réglant le monochromateur (sélection de la longueur d onde), trace la courbe d absorption en fonction de la longueur d onde : c est le spectre UV-visible de l espèce. 3. Note les longueurs d onde correspondant à des pics d absorption. Déduis-en la couleur de l espèce grâce au cercle chromatique, sachant que cette couleur est la couleur complémentaire de la couleur absorbée. 3 La spectroscopie IR Exploiter un spectre IR pour déterminer des groupes caractéristiques à l aide de tables de données 1. Repère les bandes d absorption, attention elles pointent vers le bas 2. Note les nombres d onde correspondant. 3. Réfère-toi aux tables de données pour en tirer des informations sur la nature des liaisons chimiques. Remarque : la présence de liaisons conjuguées affaiblit la liaison et diminue le nombre d onde correspondant.

9 4 La spectroscopie RMN Reconnaître des protons équivalents Des protons qui ont le même environnement chimique sont équivalents. Pour le déterminer : 1. Regarde la position des protons et les atomes autour d eux dans la molécule. 2. La hauteur de chaque saut vertical de la courbe d'intégration est proportionnelle au nombre de protons équivalents responsables du signal correspondant. Utiliser la règle des (n+1)-uplets Étant donné un proton, compte le nombre n de ses voisins équivalents entre eux mais pas avec lui-même. Le couplage entre eux donne alors un signal avec (n+1) pics. Les protons des groupes -OH, -CO H, -NH ou -NH- ne se couplent pas et donnent des singulets. 2 2

10 Déterminer la structure des molécules par spectroscopie (IR, RMN et UV) FORMULES Loi de Beer-Lambert l absorbance sans unité le coefficient d absorption molaire de l espèce à la longueur d onde en -1-1 L.mol.m l épaisseur de la solution traversée en m la concentration en mol.l -1 Relation entre l absorbance et la transmittance l absorbance sans unité la transmittance en % Relation entre le nombre d onde et la longueur d onde le nombre d onde en cm -1 la longueur d onde en cm

11 Déterminer la structure des molécules par spectroscopie (IR, RMN et UV) VALEURS nm Domaine de longueur d onde des ondes électromagnétiques UV nm Domaine de longueur d onde des ondes électromagnétiques visibles 800 nm-1 µm Domaine de longueur d onde des ondes électromagnétiques IR

12 Déterminer la structure des molécules par spectroscopie (IR, RMN et UV) DÉFINITIONS Absorbance A sans unité Opposé du logarithme de la transmittance, représente la proportion de l intensité lumineuse non absorbée. Déplacement chimique δ en ppm (partie par million) Grandeur qui situe la fréquence de résonance par rapport à une fréquence de référence prise comme origine en résonance magnétique nucléaire. Longueur d onde λ en m Plus petite distance au bout de laquelle la perturbation est reproduite identique à elle-même. Au bout d une longueur d onde, l amplitude de l onde prend de nouveau la même valeur. C est la distance parcourue en une période. Nombre d onde σ en cm -1 Inverse de la longueur d onde λ. Transmittance T en % Proportion de l intensité lumineuse transmise par rapport à un échantillon de référence appelé «blanc».