Chap4 : Analyse spectrale

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1 1. Différentes représentations de molécules organiques On a représenté 15 molécules de différentes façons : Questions : Parmi ces 15 molécules, identifier les isomères. Entourer les groupes caractéristiques de ces molécules. Nommer ces molécules TS- Mme GARCIA 1/13

2 De nouvelles molécules : Observer ces molécules, entourer leur groupe caractéristique et déduire l écriture de ce groupe Nommer ces molécules. Résumé : Groupe caractéristique Famille Suffixe de nomenclature Exemples 2. Comment identifier des molécules? Cas des molécules colorées Application : TP : Comment identifier le colorant du bonbon «SCHTROUMPF»? TS- Mme GARCIA 2/13

3 Partie 1 : Dans la composition des bonbons «schtroumpf», il est écrit «colorant E131». Quel est donc le nom de ce colorant? Doc 1 Les confiseurs utilisent des colorants pour que la couleur de leur confiserie reflète la couleur associée à un produit. Ces colorants apparaissent sur les étiquettes de composition du produit sous forme d un code E suivi d un nombre compris entre 100 et 199. Ainsi les colorants bleus sont codés : E130, E131, E132. Doc 2 La couleur d une solution peut être déduite de sa courbe spectrale. Elle correspond à la couleur complémentaire de la radiation la plus absorbée de longueur d onde λ max. Doc 3 On donne le spectre A = f(λ) de l indigotine, du bleu patenté et du sulfate de cuivre. Bleu patenté Sulfate de cuivre Doc4 : réalisation d une solution de «schtroumpf» : extraction du colorant On pèse un bonbon ( enlever le chapeau!!!) On retire le chapeau coloré du bonbon. Puis on découpe le reste du bonbon (partie bleue) en petits morceaux, qu'on introduit dans un bécher contenant V = 50,0 ml d'eau distillée. On place le tout sur agitateur magnétique chauffant ; la température ne devant pas dépasser 80 C. On filtre le mélange obtenu pour se débarrasser des parties incolores non solubilisées, et on attend que la solution revienne à température ambiante. TS- Mme GARCIA 3/13

4 Analyser Proposer un protocole expérimental permettant d identifier le colorant présent dans le bonbon. Réaliser Réaliser le protocole après validation du professeur. S approprier A quel colorant correspond le E131? (justifier) Partie 2 : Gargamel (homme de 70kg) est un grand amateur de schtroumpf. Combien peut-il manger de schtroumpfs quotidiennement avant d être malade? Doc 5 : Dose journalière admissible (DJA) L Union Européenne fixe, pour tous les additifs alimentaires et donc les colorants, les valeurs de dose journalière admissible (DJA), qui correspondent à la masse maximale absorbable par kg de masse corporel et par jour. Voici les DJA, en mg de produit absorbable par kg de masse corporelle et par jour, de deux colorants alimentaires bleus. TS- Mme GARCIA 4/13

5 Doc 6: Loi de Beer-Lambert Soit une espèce de concentration C (en mol.l -1 ) introduite dans une cuve de largeur l (en cm) traversée par un faisceau monochromatique de longueur d onde λ à la température T. L absorbance A (sans dimension) de cette espèce suit la loi de Beer-Lambert : A = ε.l.c =k.c avec ε le coefficient d extinction molaire de l espèce considérée en L.mol -1. cm -1 Doc7 : solution mère de colorant On dissout au laboratoire une masse m = 116 mg du colorant bleu identifié préalablement, de formule CaA 2 (s) et de masse molaire M = 1 160g.mol -1, dans une fiole jaugée de volume V 0 = 2,0 L. L équation de dissolution est : CaA 2 (s) Ca 2+ (aq) + 2 A - (aq) L ion calcium Ca 2+ est incolore ; L anion A - est bleu dans l eau et de concentration en solution [A - ] 0 = 1, mol.l -1. Analyser Proposer un protocole expérimental le plus précis possible permettant de connaitre la concentration en colorant bleu dans un bonbon. Réaliser Réaliser le protocole après validation du professeur. C (mol.l -1 ) A TS- Mme GARCIA 5/13

6 S approprier En déduire la concentration en colorant bleu dans un bonbon. En déduire le nombre de schtroumpfs, que peut manger quotidiennement Gargamel. Auto évaluation J ai comparé le spectre d absorption de la solution de schtroumpf avec celles données dans doc 3 Je sais utiliser un spectrophotomètre J ai réalisé une courbe d étalonnage pour trouver la concentration de solution de schtroumpf. J ai su tracer le graphique A = f (c) Je connais et sais utiliser la verrerie pour réaliser une dilution. J ai su raisonner pour trouver la masse de colorant absorbée pour un bonbon J ai trouvé le nombre de schtroumpfs que peut manger Gargamel Cas des molécules incolores Exploitation des spectres infrarouges : activité documentaire livre p La spectroscopie infrarouge correspond au domaine de longueur d'onde : nm. TS- Mme GARCIA 6/13

7 Origine du spectre : - Les spectres IR sont liés au fait que les atomes d une molécule ne sont pas fixes, ils vibrent autour d une position d équilibre. - Les vibrations peuvent correspondre à une élongation longitudinale : - Les vibrations peuvent correspondre à une déformation angulaire : - Lorsqu une lumière IR traverse une substance certaines liaisons vont absorber de l'énergie pour changer de fréquence de vibration. Les vibrations des liaisons d une molécule sont à l origine de son spectre infrarouge. - L'interaction entre le rayonnement électromagnétique et les liaisons covalentes de la molécule se traduit par l'apparition de bandes sur le spectre infrarouge. Un spectre infrarouge renseigne sur la nature des liaisons présentes dans une molécule et sur les groupes caractéristiques qui sont présents dans la molécule. En spectroscopie infrarouge on trace T = f( σ) avec T : la transmittance T =. et σ le nombre d'onde σ =. Afin, d'analyser un spectre infrarouge on utilise des tables de données (cf. ci-dessous). Liaison Nombre d ondes (cm -1 ) Intensité et commentaire Liaison OH liée (liaison Entre 3100 et 3500 cm -1 Bande forte et large. hydrogène) Liaison N-H Entre 3050 et 3500 cm -1 Bande forte. Liaison C=O Entre 1625 et 1820 cm -1 Bande forte et de largeur moyenne. Liaison C=O des esters Entre 1700 et 1750 cm -1 Bande forte. Liaison C=O des acides Entre 1660 et 1740 cm -1 Bande forte. carboxyliques Liaison C=O des amides Entre 1630 et 1710 cm -1 Bande forte. Liaison C-H de CHO Entre 2650 et 2800 cm -1 Bande moyenne. Liaison OH des acides carboxyliques Liaison C-O des acides carboxyliques Entre 2500 et 3300 cm -1 Entre 1200 et 1320 cm -1 Bande forte et large. Bande forte. Liaison CO des esters Entre 1210 et 1260 cm -1 Bande forte. Liaison NH des amides Entre 3050 et 3500 cm -1 Deux bandes moyennes larges. primaires Liaison NH des amides substituées Entre 3050 et 3400 cm -1 Bande moyenne large. TS- Mme GARCIA 7/13

8 Réinvestissement : Comment identifier une molécule? Suite à un entretien d embauche pour un poste de technicien en laboratoire, on soumet le candidat à un test de compétences. On fournit au candidat le spectre IR d une molécule X, à lui de l identifier parmi quatre molécules proposées. Document 1 : les quatre molécules proposées H 2 C OH CH CH 2 L acide benzoïque (nocif en cas d ingestion, favorise le trouble du déficit de l attention) O H 2 C CH 2 HC CH C C OH CH 2 Le cyclohexanol (nocif en cas d inhalation, provoque des maux de tête et mal de gorge) HC CH CH C H 3 C NH 2 O L acétamide (toxique par inhalation ; irritant pour la peau et les yeux) C H 2 CH O C O CH 3 L acétate de vinyle (facilement inflammable, odeur fruitée et irritante) Document 2 : le spectre IR de la molécule X. Document 3 : Table des nombre d ondes en spectroscopie IR Questions TS- Mme GARCIA 8/13

9 Identifier la grandeur représentée en ordonnée. Quelle est son unité? Dans quel sens est orientée une bande d absorption sur un spectre IR? Quelle est l unité de la grandeur portée en abscisse? Quelle est la particularité de cet axe? Vérifier que le spectre a été réalisé à des longueurs d onde appartenant au domaine des IR. Quels sont les deux domaines visibles sur ce spectre? Retrouver la molécule X Exploitation des spectres RMN Origine du spectre : Un noyau d hydrogène, ou proton, peut interagir avec un champ magnétique. Cette interaction dépend, entre autres, de son environnement électronique. Un proton peut absorber un quantum d énergie lorsqu il est exposé à certaines ondes électromagnétiques : la fréquence associée à ce quantum est appelée fréquence de résonance. Ce phénomène est appelé résonance magnétique nucléaire. Comprendre un spectre RMN du proton ; (diaporama) Compléter le document extrait du diaporama Questions. 1) A quelle condition des protons ont le même déplacement chimique? Quelle est l unité du déplacement chimique? 2) Le TMS est une molécule de référence. Quel est l intérêt de le positionner sur un spectre RMN? TS- Mme GARCIA 9/13

10 3) Qu est-ce que la multiplicité du signal? Par quoi est caractérisé un groupe de protons équivalents? Quel est l intérêt de connaître la multiplicité d un signal RMN? 4) Qu indique la courbe d intégration sur un spectre RMN? Quel est son intérêt? 5) Finalement quelles sont les informations à connaître pour déterminer la formule d une molécule à partir d un spectre RMN du proton? Réinvestissement : activité documentaire RMN et IR se complètent très bien : l IR donne des renseignements sur les fonctions chimiques, la RMN en donnant davantage sur la chaîne carbonée. 1. Exemple guidé Spectre RMN de la molécule de formule brute C 2 H 4 0 Spectre IR de la même molécule TS- Mme GARCIA 10/13

11 La molécule étant simple, chercher une formule semi-développée possible. 2. Applications Ci-dessous sont représentés les spectres IR et RMN des alcools isomères de formule brute C 4 H 10 O. Attribuer chaque spectre à une molécule après avoir déterminé les formules semi-développées des différents isomères, puis identifier les protons équivalent dans chaque molécule. Données de la courbe d intégration: A 3,39 ppm 2 H B 2,07 ppm 1 H C 1,75 ppm 1 H D 0,92 ppm 6 H A 1,17 ppm 3 H B 3,71 ppm 1 H C 1,46 ppm 2 H D 0,93 ppm 3 H E 2,37 ppm 1H A 2,01 ppm 1 H B 1,26 ppm 9 H A 3,63 ppm 2 H B 2,24 ppm 1 H C 1,53 ppm 2 H D 1,39 ppm 2 H E 0,94 ppm 3 H TS- Mme GARCIA 11/13

12 Quel est l intrus? Un des spectres IR ci-dessous est celui de l acide éthanoïque, un autre celui d un ester isomère de l acide éthanoïque. Quelle est la formule semi-développée de l acide éthanoïque? Quelle est celle de l ester? Nommer celui-ci et attribuer chaque spectre IR à une molécule, en justifiant. Ci-dessous sont représentés les spectres RMN des deux isomères précédents. Justifier l allure de ces spectres après les avoir identifiés. A 8,07 ppm 1H singulet B 3,76 ppm 3H singulet A B 11,4 ppm 1 H singulet 2,1 ppm 3H singulet TS- Mme GARCIA 12/13

13 Ci-dessous sont représentés les spectres de deux molécules isomères de constitution, de formule brute C 4 H 8 O 2. A l aide des différentes données, identifier ces deux molécules. A B C 4,12 ppm 2 H 2,04 ppm 3 H 1,26 ppm 3 H A B C 3,67 ppm 3 H 2,32 ppm 2 H 1,15 ppm 3 H Compétences exigibles Je sais exploiter des spectres UV-visible.(la couleur perçue est complémentaire de la couleur absorbée) Je sais associer un groupe caractéristique à une fonction pour alcool, aldéhyde, cétone, acide carboxylique, ester, amine, amide. Je connais les règles de nomenclature de ces composés ainsi que celles des alcanes et des alcènes. Je sais qu un spectre IR permet déterminer des groupes caractéristiques Je sais exploiter un spectre IR à l aide de tables de données ou de logiciels. Je sais identifier les protons équivalents dans une molécule. Je sais retrouver la multiplicité du signal ( règle des n+1 voisin) Je sais extraire et exploiter des informations sur un spectre RMN simple pour le relier à une molécule organique donnée, à l aide de tables de données ou de logiciels. TS- Mme GARCIA 13/13