Caractérisation des composés organiques par des méthodes d’analyses de spectroscopie moléculaire

Nous nous limitons ici aux méthodes d’analyses de spectroscopie moléculaire par ultraviolet (UV), visible et infra-rouge (IR).

QU’EST-CE QUE LA SPECTROSCOPIE MOLÉCULAIRE ?

La spectroscopie repose sur l’aptitude qu’ont les molécules à absorber de l’énergie sous forme d’onde électromagnétique. Lorsqu’une molécule reçoit une quantité d’énergie sous cette forme, et que cette énergie correspond à celle qui lui permet de transiter d’un état fondamental à un état excité, alors cette molécule s’excite.

L’énergie d’excitation qu’une molécule reçoit peut s’exprimer sous forme d’énergie :

• de rotation : la molécule reçoit une quantité d’énergie, de l’ordre de 0,5 kJ/mol, qui correspond au domaine des micro-ondes du spectre électromagnétique ; cette énergie impacte son mouvement de rotation autour de son centre d’inertie ;
• de vibrations : la molécule reçoit une quantité d’énergie, comprise entre 10 et 50 kJ/mol, qui correspond au domaine de l’IR ; cette énergie impacte la vibration des noyaux des atomes de la molécule, autour de leur position d’équilibre ;
• électronique : la molécule reçoit une quantité d’énergie, de l’ordre de 500 kJ/mol, qui correspond au domaine de l’UV-visible ; cette énergie impacte les électrons de la molécule.

L’étude spectroscopique permet d’identifier des molécules au travers de leurs groupes chimiques fonctionnels via une source de radiations électromagnétiques.

FONCTIONNEMENT D’UN SPECTROMÈTRE

Un faisceau, source de radiations (UV, IR, visible), est dédoublé en un faisceau de référence, d’intensité I0 et un faisceau traversant un échantillon à analyser, d’intensité I. En comparant ces deux faisceaux, on déduit l’absorption que l’échantillon à analyser présente.

MODÉLISATION MATHÉMATIQUE

Pour quantifier l’absorption du rayonnement électromagnétique reçu par un échantillon à analyser, on a recours à deux grandeurs :

• la transmittance T : $\displaystyle \mathrm{T= \frac{I}{I_0}}$
• l’absorbance A : $\displaystyle \mathrm{ A=\log⁡(\frac{1}{T})}$

La loi de Beer-Lambert $\displaystyle \mathrm{( A = \varepsilon_\lambda \times l \times c_e)}$ permet de déterminer l’absorbance d’un échantillon à une longueur d’onde λ donnée. Cette longueur d’onde est corrélée à la quantité d’énergie électromagnétique E qu’il reçoit $\displaystyle \mathrm{(E = h \times \frac{c}{\lambda})}$. $\mathrm{l}$ : longueur, en centimètre, de la cuve transparente contenant l’échantillon ; c_e : concentration molaire de l’échantillon ; $\mathrm{\varepsilon_\lambda}$ : coefficient d’extinction molaire de l’échantillon, à la longueur d’onde $\lambda$ ; $\mathrm{h}$ : constante de Planck ;  $\mathrm{c}$  : célérité de la lumière dans le vide.

SPECTROSCOPIE UV-visible

La plage du spectre électromagnétique concernant l’étude UV-visible s’étend de 200 à 800 nm : 200-400 nm pour l’UV et 400-800 pour le visible.

L’analyse s’effectue en milieu liquide et permet de détecter sur la molécule :

• des transitions électroniques qui s’effectuent sur des groupes fonctionnels. Exemple : à 280 nm, détection du groupe carbonyle (C=O) ;
• des délocalisations électroniques sur des groupes chromophores, responsables de la coloration de l’échantillon. Exemple : un échantillon violet (émission à 420 nm) absorbe la couleur complémentaire du violet (le jaune à 590 nm).

La courbe d’absorbance, obtenue en fonction des longueurs d’onde, présente des pics d’absorbance propres à la molécule observée. En sélectionnant la longueur d’onde correspondant à l’absorbance maximale, il est possible de déterminer une concentration inconnue d’un échantillon, à partir d’une courbe d’étalonnage en concentration.

SPECTROSCOPIE IR

Dans cette analyse, ce n’est pas l’absorbance qui est relevée, mais la transmittance T, en fonction non pas de la longueur d’onde λ (en cm), mais de son inverse, appelé nombre d’onde $\sigma$ (en $\mathrm{cm^{-1}}$), tel que $\sigma = \frac{1}{\lambda}$  . La plage du spectre électromagnétique concernant l’étude IR s’étend entre 2,5 et 16  $\mathrm{\mu m}$, soit un nombre d’onde $\sigma$ compris entre 625 et 4 000 $\mathrm{cm^{-1}}$.
L’analyse peut s’effectuer sur des produits solides, ou en solution, mais l’échantillon ne doit pas contenir de trace d’eau
Dans cette plage du spectre électromagnétique, les niveaux d’énergie absorbée (bandes d’absorption) sur la molécule observée, correspondent à des vibrations d’élongation et à des déformations. Celles-ci sont caractéristiques des différentes liaisons portées par les groupes fonctionnels de la molécule. Chaque groupe fonctionnel est répertorié dans des tables, associé au nombre d’onde qui lui correspond.

Par exemple, une molécule présentant un pic (nombre d’onde) :

• entre 1 700 et 1 740 $\mathrm{cm^{-1}}$ porte une fonction ester ;
• entre 1 625 et 1 685 $\mathrm{cm^{-1}}$ porte une insaturation ;
• entre 2 20 et 2 260 $\mathrm{cm^{-1}}$ porte une fonction nitrile.

Cette méthode d’analyse permet donc d’identifier un produit inconnu ou de vérifier la pureté d’un échantillon.