Spectroscopie UV-Visible

Spectroscopie UV-Visible

• La spectrométrie dans le visible et dans l'UV ne présente pas de différences essentielles.
• Un électron, sous l'influence d'une radiation lumineuse, passe d'une orbitale à une autre, plus énergique, absorbant ainsi de l'énergie et de la lumière.
• Les énergies varient en fonction de la longueur d'onde, ce qui permet de distinguer différentes régions du spectre.

Ultraviolet lointain

• Les longueurs d'onde sont comprises entre 100 et 200 nm, avec des énergies de 1200 à 600 kJ.mol-1.
• L'oxygène (O₂) et le dioxyde de carbone (CO₂) de l'air absorbent les radiations dans cette région.
• Les mesures nécessitent des appareils spéciaux en atmosphère de diazote, rendant cette spectroscopie peu courante.

Proche ultraviolet

• Les longueurs d'onde vont de 200 à 400 nm, avec des énergies de 600 à 300 kJ.mol-1.
• Le verre absorbe ces longueurs d'onde, contrairement à l'air et au quartz, permettant des mesures avec du matériel en quartz sans précaution particulière.
• Cette partie du spectre est couramment utilisée en analyse.

Visible

• Les longueurs d'onde sont comprises entre 400 et 800 nm, avec des énergies de 300 à 150 kJ.mol-1.
• Le verre n'absorbe plus ces longueurs d'onde, correspondant aux radiations détectées par l'œil humain.
• L'UV proche et le visible (200 à 800 nm) sont utilisés en pratique courante.

Aspect quantitatif de l'absorption d'un rayonnement

• La fraction de la lumière absorbée dépend de l'épaisseur parcourue, selon P. Bouguer (1729).
• J.H. Lambert (1728-1777) a déterminé que la diminution de l'intensité d'une radiation monochromatique est proportionnelle à l'épaisseur du milieu traversé.
• A. Beer (1852) a montré que la variation de l'intensité dépend aussi de la concentration de l'absorbant.
• La loi de Beer-Lambert relie la variation de l'intensité lumineuse à la distance parcourue dans un milieu transparent.

Loi de Beer-Lambert

• Pour un rayonnement monochromatique d'intensité initiale I₀ traversant une cuve de longueur l contenant une solution absorbante de concentration c, l'intensité I du rayon transmis est liée à I₀ par une équation logarithmique.
• Cette relation est conditionnée par la présence d'une seule substance absorbant le rayonnement.

Absorbance

• L'absorbance (A) est définie comme le logarithme décimal du rapport entre l'intensité incidente (I₀) et l'intensité transmise (I).
• C est la concentration du soluté en solution, exprimée en mol.L-1.
• l est l'épaisseur de la solution traversée par le faisceau lumineux, mesurée en cm.
• ε est le coefficient d'absorption molaire, exprimé en L.mol-1.cm-1, qui dépend du soluté et de la longueur d'onde (λ).
• La spectrophotométrie UV et visible est couramment utilisée en analyse quantitative grâce à la loi de Beer-Lambert.
• ε est une caractéristique de la molécule, plus il est élevé, plus la solution absorbe.

Transmittance

• La transmission ou transmittance (T) est définie comme le rapport de l'intensité transmise (I) sur l'intensité incidente (I₀).

Spectre UV

• Un spectre UV est une courbe précisant les variations d'absorption d'énergie d'une substance soumise aux rayonnements ultraviolets.
• L'absorption moléculaire dans la région UV du spectre présente un grand intérêt car elle dépend de la structure électronique de la molécule.
• Les composés de structure électronique particulière (cétones, aldéhydes, composés aromatiques) présentent une absorption caractéristique.
• Le spectre UV peut confirmer une structure proposée en examinant d'autres types de résultats.
• Les bandes d'absorption sont caractérisées par la longueur d'onde au maximum d'absorption (λmax) et le coefficient d'absorbance (εmax).

Additivité de la loi

• Si deux composés absorbent à la même longueur d'onde (λ), l'absorbance totale est la somme des absorbances de chaque espèce : A = A₁ + A₂ = ε₁c₁l + ε₂c₂l.

Transitions électroniques

• Une liaison simple entre deux atomes est formée par la mise en commun de deux électrons dans une orbitale moléculaire (OM) appelée σ, la liaison ainsi formée étant appelée liaison σ.
• Sous rayonnement UV, un des deux électrons de l'OM peut être promu par absorption d'énergie (ΔE) de l'OM liante σ (état fondamental) à l'OM antiliante σ* (état excité).

Transition σ → σ*

• La liaison σ est très stable, demandant beaucoup d'énergie pour être cassée.
• Cette transition est très énergétique et amène à un état de pré-dissociation de la molécule.
• Elle correspond à une longueur d'onde relativement basse, généralement autour de 130 nm (UV lointain) pour les liaisons C–C ou C−H.
• Cette transition n'est donc pas exploitable en analyse courante.

Transition π → π*

• Une liaison double entre deux atomes est constituée d'une liaison simple σ et d'une deuxième liaison obtenue par la mise en commun de deux électrons dans une nouvelle OM nommée π.
• Sous un rayonnement UV de longueur d'onde (λ) adéquate, un des deux électrons de la liaison π peut passer par absorption d'une énergie (ΔE) de l'OM liante π (état fondamental) à l'OM antiliante π* (état excité).
• La stabilité de la liaison π est moins grande que celle de la liaison σ, étant plus facile à casser.
• La transition π → π* est beaucoup moins énergétique que la transition σ → σ*.
• Le λmax se situe à des longueurs d'onde plus grandes.
• Ces transitions sont très sensibles à l'environnement (conjugaison ou présence d'hétéroatome), ce qui modifie leur λmax et leur ε.
• Dans une liaison double, il existe aussi une liaison σ, ce qui permet la transition σ → σ* si la longueur d'onde envoyée sur la liaison est adéquate.

Triple liaison

• La triple liaison est constituée d'une liaison simple σ et de deux liaisons π, chacune étant le fruit de la mise en commun de deux électrons provenant de chacun des atomes entre lesquels se forme la liaison.
• Les maxima d'absorption sont comparables à ceux d'une double liaison.

Electrons n

• Les électrons n sont les électrons libres des hétéroatomes tels que N, O, X et S.
• Ils ne forment pas de liaisons et ne correspondent pas à une orbitale antiliante.
• Ils peuvent subir deux types de transitions.

Transition n → σ*

• Un électron n peut passer dans une OM antiliante σ*.
• Cette transition nécessite des énergies plus faibles que la transition σ → σ*.
• Elle se produit habituellement à des λ ≈ 200 nm.
• Elle est observable dans de nombreux composés présentant des hétéroatomes simplement liés.
• Le transfert d'un électron n des atomes O, N, S, X à un niveau σ* est observé pour les alcools (vers 180 nm), les amines (vers 220 nm), les éthers (vers 190 nm), et les dérivés halogénés, mono et disulfures.
• Cette transition d'intensité moyenne se situe à l'extrême limite du proche UV.

Transition n → π*

• Lorsqu'un hétéroatome, porteur d'électrons libres n, fait partie d'un système insaturé ou conjugué, une transition de faible énergie peut se produire.
• Cette transition provoque l'absorption d'un électron n, non liant, dans une orbitale π*.
• Cette transition provoque une absorption de faible intensité et se produit habituellement à ≈ 280 nm.
• Elle est intéressante dans l'étude des aldéhydes et des cétones.
• Les aldéhydes et les cétones présentent deux absorptions : π → π* (intense entre 180 et 200 nm) et n → π* (faible entre 270-285 nm pour les cétones et 280-300 nm pour les aldéhydes).

Résumé des transitions

• Une forte absorption dans l'UV lointain résulte d'une transition π → π* (bande K).
• Une faible absorption dans le proche UV met en jeu une transition n → π* (bande R).

Modification des spectres d'absorption

• Un chromophore est un groupement insaturé covalent responsable de l'absorption électronique (ex : C=C, C=O, NO₂).
• Un auxochrome est un groupe saturé avec des électrons libres qui, lorsqu'il est relié à un chromophore, modifie à la fois la longueur d'onde et l'intensité de l'absorption (ex : -OH, -NH₂, -Cl).

Effet bathochrome

• Déplacement vers des longueurs d'onde plus grandes dû à une substitution ou à un effet de solvant (déplacement vers le rouge).

Effet hypsochrome

• Déplacement vers des longueurs d'onde plus courtes dû à une substitution ou à un effet de solvant (déplacement vers le bleu).

Effet hyperchrome

• Augmentation de l'intensité d'absorption.

Effet hypochrome

• Diminution du coefficient d'absorption molaire.

Chromophores isolés

• La présence de substituants alkyles sur une double liaison C=C provoque un effet batochrome.

Hétéroatomes sur un carbonyle

• La présence sur le carbonyle d'un hétéroatome porteur d'électrons non liants déplace l'absorption π → π* vers les grandes λ.
• Le spectre présente normalement deux bandes : une de grande intensité (peu utilisable, pour la transition π → π*) et une autre de faible intensité (à plus grande λ, correspondant à la transition n → π*).
• Les groupements auxochromes (–OH, –OR, –NR₂, –X) renforcent l'intensité de l'absorption (effet batochrome).

Effet de la conjugaison sur la transition

• Lorsqu'une molécule possède plusieurs doubles liaisons non conjuguées, l'effet de résonance est négligeable du point de vue spectroscopique.
• Si les doubles liaisons sont conjuguées, il apparaît une délocalisation des électrons et l'effet de résonance est important, perturbant toutes les transitions mais surtout π → π* (effet batochrome et hyperchrome).
• Ce phénomène est appelé stabilisation par résonance de l'état excité.

Carbonyles conjugués

• Les aldéhydes et cétones conjugués présentent une bande intense d'absorption (ε = 10 000 à 20 000) entre 215 et 250 nm due à l'effet batochrome de la conjugaison π → π*.
• Cet effet se fait également sentir sur la localisation de la bande plus faible correspondant à la transition n → π* (qui se situe dans la zone 310 – 350 nm).

Composés aromatiques

• Dans le benzène, les interactions électroniques (dues aux 3 doubles liaisons conjuguées) modifient les énergies des états excités de sorte qu'en réalité, le diagramme est le suivant.
• Le benzène présente donc 3 bandes d'absorption caractéristiques à 184, à 204 et à 256 nm (bande B).
• La présence de plusieurs noyaux condensés entraîne l'apparition de bandes supplémentaires et un déplacement de l'absorption vers les grandes longueurs d'onde (effet batochrome).
• La présence de substituants sur un cycle provoque également des modifications de l'absorption (effet batochrome dû aux substituants alkyles sur la bande B).
• Les substituants auxochromes sont des groupements liés au cycle aromatique par un hétéroatome porteur d'électrons n, modifiant le spectre (ex : -OH, -OR, -N—, —Cl, ...).
• Les substituants chromophores déplacent l'absorption vers les grandes longueurs d'onde, avec normalement une augmentation du coefficient d'extinction (effet batochrome et hyperchrome).

Effet de la configuration sur la transition

• Les effets stériques peuvent augmenter ou diminuer les interactions électroniques ou éventuellement en apporter de nouvelles.
• Le passage de la forme trans à la forme cis entraîne un effet hypochrome et un effet hypsochrome.
• L'effet de résonance est maximum si les deux systèmes qui interviennent sont coplanaires ; dans le cas contraire, l'effet diminue.
• Les modifications sont très importantes dans le cas de dérivés cycliques où les tensions de cycles sont fortes.

Influence du solvant sur l'absorption

• Il est très important de prendre en compte l'effet du solvant sur l'absorption car elle est surtout utilisée pour des solutions.
• Aussi, le solvant doit-il être transparent dans la zone d'observation, étant donné que tous les solvants ont des liaisons σ, ils vont donc tous absorber à des longueurs d'onde plus courtes que 180 nm.
• Les effets du solvant sont très importants et l'on observe un élargissement des bandes avec l'augmentation de la polarité du solvant et de la constante diélectrique du solvant.
• En règle générale, les modifications sont d'autant plus importantes que l'interaction soluté-solvant est grande.
• En solution dans un solvant apolaire (hexane), le spectre d'un composé est identique à celui observé en phase vapeur.
• L'interaction soluté-solvant, en particulier la solvatation, entraîne des modifications des niveaux énergétiques, aussi bien à l'état fondamental qu'à l'état excité.
• L'effet de solvant dépend de la nature du solvant, de la nature du soluté et de la nature de la bande.
• La position, l'intensité et la forme des bandes d'absorption des composés en solution diffèrent avec le solvant, ce qui rend les bibliothèques de spectres UV difficilement exploitables.
• Ces changements traduisent les interactions physiques soluté-solvant qui modifient la différence d'énergie entre état fondamental et état excité.

Instrumentation

• Un spectrophotomètre destiné à mesurer l'absorption ou la transmission de la lumière UV/Visible est constitué schématiquement :
  • d'une source lumineuse
  • d'un sélecteur de longueur d'onde ou monochromateur
  • d'une cellule de mesure
  • d'un système de mesure de l'intensité lumineuse ou détecteur
  • d'un dispositif d'affichage et de traitement du signal
• La manière la plus conventionnelle d'enregistrer un spectre consiste à utiliser un appareil comportant un monochromateur.
• La lumière blanche polychromatique (source) est décomposée dans le monochromateur qui permet de sélectionner une bande spectrale très étroite dont on peut faire varier la longueur d'onde.
• Le système de dispersion qui permet de décomposer la lumière blanche en ses différentes composantes est constitué de prismes ou de réseaux concaves ou holographiques.
• La lumière monochromatique sélectionnée par la fente de sortie traverse l'échantillon et atteint le détecteur.
• Le détecteur photoélectrique convertit un signal lumineux en signal électrique.
• Des détecteurs à barrette de diodes, composés d'une grande quantité de diodes miniaturisées (jusqu'à 2000), permettent l'analyse de la lumière polychromatique et ainsi l'observation de toute l'étendue du spectre.
• Une lumière blanche polychromatique traverse l'échantillon avant d'être dispersée à l'aide d'un prisme ou d'un réseau en ses différentes composantes sur une barrette de diodes.
• Le passage à travers l'échantillon doit être effectué avant dispersion car le principe de ce dispositif est de collecter toutes les informations en même temps pour obtenir un gain de temps.
• Un tel détecteur permet l'acquisition simultanée de tout une gamme spectrale en 1/10e de seconde, chaque diode indiquant l'intensité transmise pour un petit intervalle de longueur d'onde.
• Dans les systèmes à faisceau unique, la lumière monochromatique d'un monochromateur est envoyée sur la cellule échantillon et arrive directement sur le détecteur.
• Dans un système à double faisceau, la lumière monochromatique du monochromateur est divisée en un faisceau envoyé sur la cellule référence et un faisceau envoyé sur la cellule échantillon avant d'aller frapper le détecteur.
• Le détecteur reçoit successivement les deux faisceaux.
• La configuration à un seul faisceau a une conception plus simple car elle n'a pas besoin de « chopper » (mécanisme pour diviser le faisceau en deux) ; par conséquent, les appareils à faisceau unique sont les moins chers.
• La cellule d'analyse se présente sous forme de parallélépipède à base carrée de 1 cm de trajet optique et un volume de 1 à 3 mL.
• Les cuves en plastique transparent ou en verre ordinaire sont destinées aux mesures dans le domaine du visible.
• Les cuves en quartz sont réservées aux mesures dans le domaine de l'ultraviolet car le quartz est transparent aux UV tandis que le verre absorbe les rayonnements de λ 380 nm.