Licence MPC L3 S5 «Chimie Organique Avancée» PRINCIPES DE SPECTROSCOPIE UV-VISIBLE
1. Introduction: le spectre électromagnétique 2. Spectres UV-visible, spectres électroniques 3. Appareillage 4. Applications 5. Types de bandes d absorption 6. Techniques expérimentales
James Clerk Maxwell E L onde lumineuse est composée d un champ magnétique B et d un champ électrique E perpendiculaires entre eux (schéma pour une polarisation plane)
Les rayons ultraviolets sont plus énergétiques que les rayons du spectre visible. Ceux qui proviennent du soleil sont nocifs pour la peau et on doit donc s en protéger à l aide de crèmes qui en absorbent la plus grande partie. La couche d ozone est déjà un premier rempart efficace contre ce type de lumière nocive. Les néons des boîtes de nuit ou des détecteurs de faux billets émettent des ultraviolets invisibles à l œil, mais proches du visible, donc peu nocifs Les longueurs d onde du rayonnement UV s échelonnent de 10 nm à 400 nm
Les couleurs du spectre visible 400nm 800nm La région du spectre électromagnétique détectée par l œil, appelée «le spectre visible», s'étend de 400 nm à 800 nm
La couleur est la manifestation de l absorption de lumière visible (λ de 400 à 800 nm, soit de 0,4 à 0,8 µm). Les substances qui absorbent seulement : * dans l UV (ultra-violet) proche (λ = 200 à 400 nm) * dans l IR (infra-rouge: λ > 800 nm) apparaissent incolores Toutes les substances absorbent dans l UV lointain (λ < 200 nm).
Il existe 3 couleurs primaires : Bleu, Jaune et Rouge. C est en les mélangeant que l on obtient d autres teintes. Il y a 3 couleurs secondaires : L Orange, le Vert et le Violet. Elles sont obtenues en additionnant 2 couleurs primaires. Et 6 couleurs tertiaires résultent du mélange des couleurs primaires avec les secondaires. Toutes ces couleurs peuvent encore s additionner. Elles donnent des nuances que l'on retrouve dans la «roue chromatique»
Un spectre UV (ou visible) rend compte de l'absorption de radiations UV (ou visibles) par une molécule. A chaque rayonnement de longueur d onde λ est associée une énergie E Ainsi pour la différence d'énergie ΔE = E 2 - E 1 il correspond une longueur d'onde λ donnée par la relation ΔE = hc λ
L énergie disponible par les rayonnements UV-visible permet des transitions électroniques au sein de molécules organiques: c.a.d. le passage d un électron d'une orbitale d'énergie E 1 à une orbitale d'énergie E 2 plus élevée. On dit qu on passe dans un «état excité» Schéma d une transition électronique Niveau électronique E 2 Niveau électronique E 1
Définitions A est aussi appelé «densité optique» ou D.O.
Définitions %Transmission (T) = I I Io X 100
Loi de Beer-Lambert : A = ε l c
Absorbance (A) λ max Transmission Haute énergie Longueur d onde λ (nm) Faible énergie
Absorbance (A) λ max Transmission Haute énergie Longueur d onde λ (nm) Faible énergie
La région ultraviolette s'étend de 10 nm à 400 nm mais 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) La région du visible s'étend de 400 nm à 800 nm; cette gamme de mesure est atteinte avec le même type de spectromètre que celui utilisé en UV, par la simple commutation de la source lumineuse
Les spectromètres UV-visible Les spectromètres UV-visible comportent une source de lumière suivie d un monochromateur, d un compartiment pour placer les échantillons, puis d un dispositif de réception associé à un dispositif de traitement des données permettant au final le tracé d un spectre
* Lampe à décharge au deutérium utilisée dans le domaine de 190 à 400 nm avec un maximum d'émission à 652,1nm. Divers modèles de lampes au deutérium
Lampe à filament de tungstène pour la région allant de 350 à 800 nm
Lampe à décharge au xénon utilisée dans le domaine UV et visible (Lampe très énergétique qui fonctionne sous forme de flash, juste au moment de faire une mesure) Lampes flash au xénon Oriel
Spectrophotomètre UV-Visible Pr Pr Jean-François Nicoud Nicoud Faculté Faculté de de Chimie Chimie Université Louis de Strasbourg Pasteur
Jean-François Nicoud PrPr Jean-François Nicoud Faculté Chimie Faculté dede Chimie Université de Strasbourg Université Louis Pasteur
Pr Pr Jean-François Nicoud Nicoud Faculté Faculté de de Chimie Chimie Université Louis de Strasbourg Pasteur
Spectrophotomètre UV/Visible/NIR à fibres optiques Pr Pr Jean-François Nicoud Nicoud Faculté Faculté de de Chimie Chimie Université Louis de Strasbourg Pasteur
Spectrophotomètre UV-Visible pour faibles volumes Caratéristiques Large gamme spectrale : 220-750 nm Précision : 1 nm Bande passante : 3 nm Sensibilité : détecte les acides nucléiques à partir de 2 ng/µl, Jusqu à 3700 ng/µl sans diluer Précision photométrique : 0,003 absorbance
Analyse qualitative : La spectroscopie UV-visible fournit généralement moins de renseignements sur la structure moléculaire que les autres méthodes spectrométriques comme la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) ou la spectroscopie infra-rouge (IR). Néanmoins on l utilise pour une confirmation de structure, soit par une identification grâce à des règles empiriques performantes soit en procédant à des comparaisons avec des spectres de référence.
Analyse quantitative : L utilisation de la loi de Beer-Lambert, lorsqu elle s applique, est une très bonne méthode d analyse quantitative. En effet nous avons vu que l absorbance d une solution A (ou sa densité optique D.O.) est proportionnelle à la concentration c de la solution étudiée. Donc, quand on connaît l ε du produit analysé à la longueur d onde utilisée, toute mesure de A équivaut à une mesure de c. Remarque : la loi de Beer-Lambert ne s applique bien que pour des faibles valeurs de c
Chromophores : ce sont des groupes d atomes liés dans une molécule et qui sont responsables de pics d absorption importants dans l'ultraviolet ou le visible. Groupement auxochrome : Groupement qui, introduit dans un système chromophorique provoque, soit une augmentation du λmax d absorption (effet bathochrome), soit une diminution du λmax (effet hypsochrome)
Etat excité σ* π* Orbitales anti-liantes n σ* n π* Etat fondamental σ σ* π π* π σ Orbitales liantes
On distingue 4 types de bandes d'absorption dans les spectres UV des molécules organiques. Elles sont caractérisées par la longueur d'onde de leur maximum d'absorption ( λmax ) et par l'intensité de ce maximum Bandes R : Elles sont dûes à une transition électronique n π*. Lorsqu'un hétéroatome, porteur de doublet(s) non-apparié(s) n, fait partie d'un système insaturé ou est conjugué avec un tel système, une transition de faible énergie peut se produire : passage d'un électron n non liant dans une orbitale anti-liante π* Ces bandes R présentent en général une faible absorption molaire avec le plus souvent εmax < 100 M -1.cm -1
Bandes K (Konjugierte) : Elles sont dûes à une transition électronique π π* Elles apparaissent dans les spectres de molécules possédant un système de doubles liaisons conjuguées : C C C C double simple double conjugaison Caractéristiques de ces bandes K : une forte absorption molaire : εmax > 10 000 M -1.cm -1
Bandes B (Benzénoïdes) : Egalement dûes à une transition électronique π π* Elles apparaissent dans les spectres de molécules aromatiques ou hétéroatomiques Caractéristiques de ces bandes B : Bandes E (Ethyléniques) : εmax < 1 000 M -1.cm -1 et structure fine Egalement dûes à une transition électronique π π* Apparaissent dans les spectres de molécules aromatiques substituées par des groupements auxochromes :
Des groupements liés au cycle aromatique par un hétéroatome porteur de doublets libres n sont des substituants auxochromes O R X avec X = halogène et etc.. Caractéristiques de ces bandes E : les εmax varient entre 2 000 et 14 000 M -1.cm -1
Maximum d absorption UV de l éthène et de polyènes Nom Formule Structurale λ max (nm) Energie (kj/ mol) éthène CH 2 =CH 2 165 723 buta-1,3-diène CH 2 =CH-CH=CH 2 217 551 (3E)- hexa-1,3,5-triène CH 2 =CH-CH=CH-CH=CH 2 268 447 (3E, 5E)-octa -1,3,5,7-tétraène CH 2 =CH(CH=CH) 2 CH=CH 2 290 384
Spectre UV du 2,5-diméthylhexa-2,4-diène λmax = 242 nm εmax = 13100 M -1. cm -1 Longueur d onde (nm)
Spectres UV de polyènes conjugués
A propos du β-carotène (provitamine-a) Les caroténoïdes constituent une classe importante de pigments naturels. Ils sont responsables de la couleur jaune ou orangé de nombreux fruits et légumes. Le β-carotène est abondant dans les carottes (bien sûr), mais aussi des citrouilles, abricots et nectarines. Les légumes de couleur vert foncé comme les épinards et les brocolis en sont également une source importante. Dans ces légumes, la couleur orange est masquée par la couleur verte intense de la chlorophylle. On peut s en rendre compte sur les feuilles en automne ; quand les feuilles meurent en automne, la chlorophylle disparaît peu à peu, et la couleur jaune/orangé/rouge des caroténoïdes, plus stables, prend le dessus.
Le β-carotène est un polyène conjugué naturel 11 doubles liaisons conjuguées Des pastilles de β-carotène sont vendues dans les para-pharmacies comme antioxydant
Spectre d absorption UV-visible du β-carotène λmax = 497 nm εmax = 133000 M -1. cm -1
Spectre UV-visible de la chlorophylle a La chlorophylle a absorbe fortement à 430 nm (bleu) et 660 nm (rouge) Molécule de chlorophylle a Vert : magnésium Bleu: azote Rouge: oxygène La chlorophylle est un pigment présent dans toutes les plantes vertes sur Terre. On estime que près d un milliard de tonnes de chlorophylle sont synthétisées par les plantes chaque année sur toute la surface de la Terre.
Lorsqu un couple donneur/accepteur est placé en positions conjuguées, cela conduit à une absorption intense décalée vers le rouge, même pour une petite molécule. accepteur donneur 4-nitroaniline
Les cellules : La plupart du temps, on utilise des cellules dont le trajet optique est égal à 1 cm (ceci permet d avoir l = 1 pour l application de la loi de Beer-Lambert) Elles doivent être en quartz et pas en verre pour λ <310nm Les cellules doivent être maintenues très propres, particulièrement les faces polies car elles sont placées sur le trajet lumineux.
Les solvants : Ils doivent bien dissoudre le produit et être transparents dans la région examinée L'éthanol à 95 % est le solvant le plus utilisé. Il est suffisamment bon solvant pour de nombreux composés organiques Les hydrocarbures sont des solvants utilisés pour des substances non polaires ; ils doivent être purifiés soigneusement pour éliminer toute trace de substances aromatiques ou éthyléniques
Les solvants : L'eau distillée et les acides sont de bons solvants : leur transmission est très bonne Les solvants ont tout de même des effets : leur polarité exerce une influence sur les spectres d absorption; on observe dans certains cas des changements importants de λmax et d εmax : on parle de solvatochromie
Les solvants : Exemple de solvatochromie : la couleur d une solution d un même composé dépend de la nature du solvant
Licence MPC L3 S5 «Chimie Organique Avancée»