Spectroscopie UV-Visible : Introduction

• Spectroscopie UV-Visible

Introduction

• La spectrométrie dans le visible et dans l'UV ne présentent pas de différence essentielle.
• Un électron, influencé par une radiation lumineuse, passe d'une orbitale à une autre, plus énergétique, ce qui implique une absorption d'énergie et de lumière.
• Les énergies varient en fonction de la longueur d'onde.

Ultraviolet lointain

• Les longueurs d'onde λ se situent entre 100 et 200 nm, avec des énergies de 1200 à 600 kJ.mol-1.
• Dans cette région, l'oxygène O₂ et le dioxyde de carbone CO₂ de l'air absorbent les radiations.
• Les mesures nécessitent des appareils spéciaux et doivent être effectuées en atmosphère de diazote.
• Ce type de spectroscopie n'est pas couramment utilisé.

Proche ultraviolet

• Les longueurs d'onde λ se situent entre 200 et 400 nm, avec des énergies de 600 à 300 kJ.mol-1.
• Le verre absorbe à ces longueurs d'onde, mais l'air et le quartz sont transparents.
• Il est possible d'opérer avec du matériel en quartz sans précaution particulière.
• Des mesures dans cette partie du spectre sont couramment utilisées en analyse.

Visible

• Les longueurs d'onde λ se situent entre 400 nm et 800 nm, avec des énergies de 300 à 150 kJ.mol-1.
• Le verre n'absorbe plus à ces longueurs d'onde, et cette zone correspond sensiblement aux radiations détectées par l'œil humain.
• En pratique courante, on opère dans l'UV proche et dans le visible, donc de 200 à 800 nm.

Aspect quantitatif de l'absorption d'un rayonnement

• La fraction de la lumière absorbée dans un milieu dépend de l'épaisseur parcourue (Bouguer, 1729).
• La diminution de l'intensité d'une radiation monochromatique traversant un milieu est proportionnelle à l'épaisseur de ce milieu (Lambert, 1728-1777).
• La variation de l'intensité dépend aussi de la concentration de l'absorbant (Beer, 1852).

Loi de Beer-Lambert

• La loi de Beer-Lambert relie la variation de l'intensité lumineuse à la distance parcourue dans un milieu transparent.
• Pour un rayonnement monochromatique (de ν ou de λ unique) d'intensité initiale Io traversant une cuve de longueur l contenant une solution absorbante de concentration c (mol.L-1), l'intensité Io du rayon incident et l'intensité I du rayon transmis sont liées par : log(I₀/I) = ε × l × c
• Cette loi est valable à condition qu'il n'y ait qu'une seule substance absorbant ce rayonnement.

Absorbance

• La loi de Beer-Lambert s'exprime sous la forme : A = log(I₀/I) = εlc
  • A représente l'absorbance ou la densité optique (ou extinction).
  • C est la concentration du soluté en solution en mol.L-1.
  • I est l'épaisseur de solution traversée par le faisceau lumineux en cm.
  • ε est le coefficient d'absorption (extinction) molaire en L.mol-1.cm-1, dépendant du soluté et de λ.
• Les spectrophotométries UV et visible sont utilisées en analyse quantitative, basées sur la loi de Beer-Lambert.
• Le coefficient d'absorption est une caractéristique de la molécule; plus il est grand, plus la solution absorbe.

Transmittance

• On définit la transmission ou transmittance T comme : T = I/I₀ = 10-A = 10-εlc

Spectre UV

• Un spectre UV (ou spectre électronique) est une courbe qui précise les variations d'absorption d'énergie d'une substance soumise aux rayonnements ultraviolets.
• L'absorption moléculaire dans la région UV du spectre EB est liée à 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 par l'examen d'autres résultats.
• Les bandes d'absorption sont caractérisées par :
  • λmax : longueur d'onde au maximum d'absorption.
  • εmax : coefficient d'absorbance pour un λmax donné.

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

Diverses transitions électroniques

• La lumière monochromatique sélectionnée traverse l'échantillon et atteint le détecteur.
• Un détecteur photoélectrique convertit le signal lumineux en signal électrique.

Transition σ → σ*

• Une liaison simple entre deux atomes est formée par la mise en commun de 2 électrons qui se positionnent dans une orbitale moléculaire (OM) appelée σ.
• La liaison qui se forme est appelée liaison σ.
• Sous rayonnement UV, un des 2 électrons de l'OM peut être promu par absorption d'une énergie ΔE de l'OM liante σ (état fondamental) à l'OM antiliante σ* (état excité).
• La liaison σ est très stable, nécessitant beaucoup d'énergie pour la casser.
• La transition σ → σ* est très énergétique et amène à un état de pré-dissociation de la molécule. Elle correspond à une longueur d'onde relativement basse.
• Généralement, pour la liaison C–C ou C−H, le maximum d'absorption se situe autour de 130 nm (UV lointain).
• Cette transition n'est pas exploitable en analyse courante.

Transition π → π*

• Une liaison double est constituée d'une liaison simple σ et d'une 2ème liaison formée par la mise en commun de 2 autres électrons, positionnés dans une nouvelle OM nommée π.
• Sous rayonnement UV de λ adéquate, un des 2 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, la liaison π est donc plus facile à casser.
• La transition π → π* est moins énergétique que la transition σ → σ*.
• le λmax se situe à des λ plus grandes.
• Ces transitions sont sensibles à l'environnement (conjugaison, hétéroatome), modifiant λmax et ε.
• Dans une liaison double, il y a aussi une liaison σ, donc la transition σ → σ* peut avoir lieu si la longueur d'onde est adéquate.

Triples liaisons

• Une triple liaison est constituée d'une liaison simple σ et de 2 liaisons π.
• Les maxima d'absorption sont comparables à ceux d'une double liaison.

Électrons n

• Ces électrons n sont les électrons libres des hétéroatomes tels que N, O, X et S qui ne forment pas de liaisons, donc aucune orbitale antiliante ne leur correspondent.
• Un électron n peut passer dans une OM antiliante σ*.
• La transition n → σ* nécessite des énergies plus faibles que pour 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 est d'intensité moyenne et 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, celle-ci permet de faire passer un électron n, non liant, dans une orbitale π*.
• La transition n → π* provoque une absorption de faible intensité.
• Elle se produit habituellement à des λ ≈ 280 nm, et est d'intérêt dans l'étude des aldéhydes et des cétones.
• Les aldéhydes et cétones présentent deux absorptions :
  • Transition π → π* intense entre 180 et 200 nm.
  • Transition n → π* faible entre 270-285 nm pour les cétones et 280-300 nm pour les aldéhydes.

Résumé sur les types de transitions et leurs intensités

• 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

Vocabulaire

• Chromophore : Groupement insaturé responsable de l'absorption électronique (C=C, C=O, NO₂).
• Auxochrome : Groupe saturé avec des électrons libres qui, lié à un chromophore, modifie la longueur d'onde et l'intensité de l'absorption (-OH, -NH₂, -Cl).
• Effet bathochrome : Déplacement vers des longueurs d'onde plus grandes dû à une substitution ou un effet de solvant (déplacement vers le rouge).
• Effet hypsochrome : Déplacement vers des longueurs d'onde plus courtes dû à une substitution ou 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

Substituants alkyles

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

Héteroatomes sur carbonyle

• La présence sur le carbonyle d'un hétéroatome déplace l'absorption π → π* vers les grandes λ.
• Le spectre présente normalement 2 bandes :
  • Une de grande intensité, peu utilisable, pour la transition π → π* (188 nm pour la propanone, 160 nm pour l'acétonitrile).
  • 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

Polyènes conjugués

• Les conjugaisons augmentent la délocalisation des électrons et l'effet de la résonance, perturbant toutes les transitions, surtout π → π* (effets 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 250nm 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*.

Composés aromatiques

• Dans le benzène (C₆H₆), les interactions électroniques (dues aux 3 doubles liaisons conjuguées) modifient les énergies des états excités.
• Le benzène présente 3 bandes d'absorption caractéristiques à 184, 204 et 256 nm (bande B).
• La présence de plusieurs noyaux condensés entraîne l'apparition de bandes supplémentaires et un déplacement vers de plus grandes longueurs d'onde (effet batochrome).
• La présence de substituants entraîne un effet batochrome dû aux substituants alkyles sur la bande B.
• Les substituants auxochromes (hétéroatome porteur d'électrons n) modifient le spectre.
• Les substituants chromophores déplacent l'absorption vers les grandes λ, et augmentent le coefficient d'extinction.

Effet de la configuration sur la transition

• Les effets stériques peuvent augmenter ou diminuer les interactions électroniques.
• Le passage de la forme trans à la forme cis entraîne un effet hypochrome et hypsochrome.
• L'effet de résonance est maximum si 2 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 important de prendre en compte l'effet du solvant sur l'absorption.
• Le solvant doit être transparent dans la zone d'observation.
• Les solvants ont tous des liaisons σ; ils absorbent donc tous à des longueurs d'onde plus courtes que 180 nm.
• La polarité du solvant et sa constante diélectrique affectent les spectres, causant un élargissement des bandes.
• Les modifications sont importantes quand l'interaction soluté-solvant est grande.
• Dans un solvant apolaire (hexane), le spectre d'un composé est identique à celui observé en phase vapeur.
• L'interaction soluté-solvant (solvatation) entraîne des modifications des niveaux énergétiques, dans l'état fondamental et excité.
• L'effet de solvant dépend de la nature du solvant, du soluté et de la bande.
• Les bandes d'absorption diffèrent avec le solvant, rendant les bibliothèques de spectres UV difficilement exploitables.
• Ces changements traduisent des interactions physiques soluté-solvant modifiant λ.

Effet batochrome ou hypsochrome

• Ils se produisent sur les 2 types de transitions, suivant la polarité du solvant.

Instrumentation

Composants d'un spectrophotomètre UV-visible

• Un spectrophotomètre UV/Visible a pour fonction de mesure la transmission ou l'absorption de la lumière et contient :
  • Une source lumineuse.
  • Un sélecteur de longueur d'onde (monochromateur).
  • Une cellule de mesure.
  • Un système de mesure de l'intensité lumineuse (détecteur).
  • Un dispositif d'affichage et de traitement du signal.

Mode de fonctionnement du monochromatuer sur les spectres

• La manière la plus conventionnelle d'enregistrer un spectre consiste à utiliser un appareil comportant un monochromateur.
• La lumière blanche polychromatique passe dans le monochromateur qui permet de sélectionner une bande spectrale étroite, dont on peut faire varier la longueur d'onde. Le système de dispersion (décomposer la lumière blanche) est constitué de prismes ou de réseaux.

Diode du détecteur

• Plus récemment sont apparus des détecteurs à barrette de diodes composés d’une grande quantité de diodes miniaturisées (jusqu’à 2000) qui 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.

Cellule et systemes de faisceaux

• Les systèmes de cuves d'analyse (contenant 1 à 3 ml de solution) se présentent sous forme de parallélépipède à base carrée de 1 cm de trajet optique.
• Les cuves en plastique transparent sont utilisées en milieu aqueux ou en verre ordinaire (milieux aqueux et organique) et sont destinées aux mesures dans le domaine visible.
• Les cuves en quartz sont réservées aux mesures dans le domaine de l'ultraviolet car le quartz est transparent aux UV.