Chimie : analyses spectrales

Chimie : analyses spectrales

Principe général

Une méthode spectrale exploite l'interaction entre un rayonnement électromagnétique et la matière. Selon l'énergie du rayonnement, on sonde des transitions différentes : électroniques (UV-visible), vibratoires (infrarouge), de spin nucléaire (RMN). L'énergie d'un photon vaut $E = h\nu = hc/\lambda$, avec h = 6,63×10⁻³⁴ J·s.

Spectroscopie UV-visible et loi de Beer-Lambert

$A = \varepsilon \ell C$ A : absorbance (sans unité) ; ε : coefficient d'absorption molaire (L·mol⁻¹·cm⁻¹) ; ℓ : trajet optique (cm) ; C : concentration (mol·L⁻¹). La loi n'est linéaire que pour des solutions diluées (A < 1,5 environ) et à une longueur d'onde fixée, choisie au maximum d'absorption λmax.

Exemple de dosage : une solution de permanganate de potassium présente ε = 2 300 L·mol⁻¹·cm⁻¹ à 525 nm dans une cuve de 1,00 cm. Une mesure donne A = 0,46, d'où C = 0,46 / (2 300 × 1,00) = 2,0×10⁻⁴ mol·L⁻¹. Une courbe d'étalonnage à cinq points valide la linéarité avant tout dosage.

Spectroscopie infrarouge

L'IR (nombre d'onde exprimé en cm⁻¹, de 4 000 à 500) identifie les groupes caractéristiques :

Liaison	Bande (cm⁻¹)	Allure
O–H alcool	3 200-3 600	large
O–H acide carboxylique	2 500-3 300	très large
N–H amine	3 300-3 500	fine, souvent double
C=O	1 650-1 750	intense, fine
C–H	2 850-3 000	moyenne

Une bande à 1 715 cm⁻¹ intense sans large bande vers 3 300 oriente vers une cétone plutôt qu'un acide. La zone 1 500-500 cm⁻¹, dite empreinte digitale, sert à comparer un spectre à celui d'un composé de référence.

RMN du proton

Trois informations : le nombre de signaux (nombre de groupes de protons équivalents), le déplacement chimique δ en ppm (environnement électronique : 0,9-1,5 pour CH₃ aliphatique, 2,1-2,6 près d'un C=O, 7-8 pour un cycle aromatique) et la multiplicité donnée par la règle des (n+1) uplets. La courbe d'intégration donne le rapport des nombres de protons.

Application : un spectre présentant un triplet à 1,2 ppm (3H) et un quadruplet à 4,1 ppm (2H) signe un groupe éthyle –O–CH₂–CH₃, typique d'un ester.

Démarche d'identification d'un composé

1. Formule brute par analyse élémentaire ou spectrométrie de masse.
2. Insaturations : degré = (2C+2+N−H)/2.
3. Groupes fonctionnels par IR.
4. Squelette carboné par RMN (nombre, déplacement, multiplicité, intégration).
5. Vérification de la cohérence de la structure proposée avec tous les spectres.

À retenir

Aucune technique ne suffit seule : l'IR annonce la fonction, la RMN dessine le squelette, l'UV-visible quantifie. Le raisonnement consiste à croiser des indices convergents.