Chapitre I – Techniques spectroscopiques et spectrométriques Cours BCG3-PC4 (3) PDF

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1 Université Mohammed V-Agdal Faculté des Sciences --------------------------------------- FILIERE : BCG S3 TRONC COMMUN BCG Biosciences (BCG) ; Sciences de l’Environnement (BCG) SEMESTRE 3 (MODULE 16) ------------------------------------------------------------- COURS DE TECHNIQUES D’ANALYSE Pr. Redouane KHAOULAF Année Universitaire 2024/2025 2 Sommaire Chapitre I – Techniques spectroscopiques et spectrométriques Chapitre II - Chromatographie Chapitre III - Analyse élémentaire Chapitre IV – Techniques d’extraction 3 Chapitre I Techniques spectroscopiques et spectrométriques I- Principe Généraux de la Spectroscopie Introduction L'interaction de la lumière avec la matière est à l’origine de la majeure partie des phénomènes électriques, magnétiques, optiques et chimiques observables dans notre environnement proche. Exemple 1 : Arcs en ciel Les arcs-en-ciel sont produits par la décomposition de la lumière du Soleil en ses différentes couleurs par la présence de gouttelettes d'eau dans l'air. C'est Isaac Newton (1642-1727) qui, le premier, observa de façon scientifique le phénomène de séparation des couleurs en notant qu'un prisme de verre pouvait diviser un faisceau de lumière blanche en les différentes couleurs de l'arc-en-ciel. Cela se passait vers la fin du XVIIème siècle. Exemple 2 : Etoiles Les étoiles et les astres en général ne sont pas atteignables et seul leur rayonnement parvient à nous. Les astronomes ont dû se résoudre à « faire parler » la lumière. Ils ont donc été rapidement amenés à se poser les questions suivantes : pourquoi un astre est-il lumineux ? Quelle est la relation entre la matière et la lumière ? Ces premières réflexions sont à l’origine de la spectroscopie. Définitions et Applications a - Définition La spectroscopie est l'étude des rayonnements électromagnétiques émis, absorbés ou diffusés par la matière. Celle-ci effectue une transition d’un état quantique à un autre état quantique. b - Applications La spectroscopie permet d’expliquer un grand nombre de phénomènes qui nous entourent en permanence : la couleur de nos habits, la couleur du ciel. Dans les laboratoires de recherche, les méthodes spectroscopiques permettent de mesurer des cinétiques de réaction ou de déterminer les mécanismes réactionnels. Ce sont les outils les plus puissants de détermination des structures et d'identification des molécules. Dans ce chapitre, nous donnerons un aperçu sur les principes de base qui régissent les interactions onde-matière. Puis nous présenterons brièvement les divers types de spectres et de spectroscopies. II – Dualité Onde- Corpuscule II.1 - Dualité de la lumière La lumière ou radiation électromagnétique présente deux aspects, Aspects ondulatoire et corpusculaire. (La double nature de la lumière, montrant que la lumière se comporte à la fois comme une onde et une particule (photon). 4 II.1.1. La théorie ondulatoire du rayonnement électromagnétique De façon simplifiée, on peut considérer l’onde comme formée d'un champ électrique E et d'un champ magnétique H périodiques en phase, perpendiculaires entre eux et perpendiculaires à la direction de propagation de l'onde. Cette propagation se fait à une vitesse d'environ 3.108 m.s-1. Propagation de l’onde électromagnétique La fréquence de l'oscillation périodique des champs caractérise la nature de la radiation. La longueur d'onde , distance qui sépare deux maxima successifs, est liée à la fréquence par la relation : c/ Tout rayonnement est porteur d’une énergie E dont la valeur dépend de la fréquence. II.1.2 - La théorie corpusculaire du rayonnement électromagnétique La propagation de l’onde est bien décrite par la théorie ondulatoire. Cependant, l’interaction du rayonnement avec la matière a conduit à attribuer également une nature corpusculaire à l’onde électromagnétique. Le rayonnement électromagnétique se comporte comme un flux de particules appelé photons ou quanta, se déplaçant à la vitesse de la lumière. Chaque photon est un porteur de grain d’énergie ou quantum d’énergie donnée par l’équation de Max Planck : 𝒄 𝐄 = 𝐡𝛎 = 𝐡 𝝀 Qui est considérée comme étant la plus petite énergie transportée par une radiation. E : énergie de la radiation lumineuse.  h = 6,626.10-34J.s (ou kg m2 s−1) est la constante de Planck et ν (Hz ou s-1) est la fréquence classique de l’onde. II.2 - Dualité de la matière Postulat de de Broglie Après la quantification du champ électromagnétique par Einstein en lui donnant un caractère corpusculaire, Louis de Broglie, à son tour, reprend le dualisme ˝onde-corpuscule˝ et attribue l’aspect ondulatoire à toute particule constituant la matière : De la même façon que les ondes peuvent se comporter comme des particules, les particules peuvent se comporter comme des ondes. 5 En 1924, de Broglie associa donc à toute particule matérielle douée d’une quantité de mouvement p = mv avec une longueur d’onde λ dite onde de de Broglie : λ=h/p où h est la constante de Planck. III – Interaction Rayonnement-Matière III.1 - L’effet photoélectrique ou photoémission Historique : En 1886, le physicien allemand Heinrich Rudolf Hertz réalisa expérimentalement qu’un matériau métallique exposé à la lumière pouvait émettre des particules chargées négativement (électron). Cette découverte fut baptisée au nom de l’effet photoélectrique. Expérience de photoémission Lorsque on éclaire une plaque métallique et qu’on procède à un balayage en fréquence pour la lumière on obtient une émission d’électrons à partir d’une fréquence seuil ν0 qui est caractéristique du métal utilisé. C’est Albert Einstein qui a apporté cette explication à l’expérience de Hertz Pour arracher les électrons d’une surface métallique soumise à un rayonnement électromagnétique, il faut fournir une énergie E0, appelée énergie d’extraction ou énergie de seuil photoélectrique : Pour que l’effet photoélectrique se produise, il faut que : E > E0 h.ν > h.ν0 ν > ν0 c/ > c/ 0  < 0 Le 14 décembre 1900, Max Planck émit une hypothèse révolutionnaire selon laquelle les échanges d’énergie entre la matière et le rayonnement se font par des quantités finies et élémentaires d’énergie appelées quanta (quanta est le pluriel de quantum, celui-ci signifie quantité en latin). En d’autres termes, l’énergie rayonnée par la matière est proportionnelle à la fréquence du rayonnement avec lequel elle interagit. Planck trouva pour le coefficient de proportionnalité h, appelée depuis constante de Planck, une valeur numérique de 6,626.10-34 joule.seconde. En résumé, les échanges d'énergie entre matière et rayonnement se font par quanta d'énergie : ΔE = hν. III.2 - Processus fondamentaux de l’interaction rayonnement - matière Un système matériel donné (atome, ion, molécule…) peut occuper un certain nombre d’états discrets notés (1), (2)…dont chacun possède une énergie bien déterminée E1, E2, … Le système peut dans certaines conditions passer d’un état (i) à un état (j). Les processus à la base des phénomènes spectroscopiques sont: l’absorption, l’émission et la diffusion. 6 III.2.1 - Absorption Si un système matériel est soumis à l’action d’un faisceau de lumière d’énergie donnée, un photon peut être absorbé. Le système passe du niveau d’énergie Ei au niveau Ej : hν = Ej-Ei. III.2.2 - Emission Un système d’énergie Ej peut émettre spontanément un photon pour descendre sur un niveau inférieur Ei tel que hν = Ej-Ei. Le plus simple exemple d'émission spontanée est la lampe à incandescence. Le filament de tungsten est porté à une température d'incandescence par effet joule, dû au courant électrique. Les électrons des couches externes des atomes de tungsten sont alors dans un état excité et vont relaxer par émission d'un spectre continu d'ondes. III.2.3 - Diffusion Le choc entre la matière et une radiation de fréquence ν0 peut renvoyer le photon dans une autre direction, avec ou sans modification de son énergie. On dit qu’il y a diffusion. - Lorsque l’énergie n’est pas changée, le choc est dit élastique. Ceci correspond à la diffusion Rayleigh ou diffusion élastique, qui conserve la fréquence de l’onde incidente (ν0 =νd ; νd : fréquence de l’onde diffusée). - Lorsque le photon emprunte ou cède de l’énergie au système, qui passe d’un état Ei à un état Ej, le choc est dit inélastique. Ce phénomène porte le nom de diffusion Raman ou diffusion inélastique. La fréquence de l’onde diffusée vérifie la relation : hνd-hν0=Ei-Ej 7 IV – Probabilité de transition En physique classique, il peut y avoir échange d’énergie entre une onde électromagnétique de fréquence ν et un système possédant une certaine énergie mécanique due à un mouvement périodique de fréquence ν0. Schéma classique de l’absorption d’énergie électromagnétique convertie en énergie mécanique L’onde incidente (à gauche) est partiellement absorbée : elle a perdu de l’énergie, ce qui se traduit par la diminution de son amplitude (à droite) notée Q. Cette énergie E est convertie en énergie mécanique par le système absorbant, dont l’amplitude Q0 augmente. Cette absorption nécessite deux conditions i 0 (résonance)    0 (ii)  Q La condition (i) signifie que pour qu’une molécule puisse interagir avec une onde électromagnétique, elle doit posséder un dipôle oscillant à la même fréquence que la lumière. La condition (ii) signifie que le mouvement doit provoquer, à la même fréquence, la variation du moment dipolaire μ du système. En physique quantique, dans un système dont l’énergie est quantifiée, le phénomène d’absorption ou d’émission d’un photon de fréquence se traduit par le passage d’un état initial à un état final. Ce phénomène est soumis à 2 conditions, équivalents quantiques des conditions (i) et (ii) : (iii) Ej – Ei = h (résonance) (iv) Dans cette relation (iv) : 8 - La quantité vectorielle Mij est le moment de transition. On peut montrer que la probabilité d’absorption ou d’émission par un système d’un photon h est proportionnelle au carré de cette intégrale. -i et j sont les fonctions d’onde du système à l’état initial et final respectivement.  - L’opérateur ̂ est l’opérateur associé au moment dipolaire. Ce moment peut être électrique ou magnétique. Le couplage rayonnement-matière peut s’effectuer entre le moment dipolaire électrique du système et le champ électrique de la radiation. On parle alors de transitions dipolaires électriques. Le couplage peut également s’établir entre le moment dipolaire magnétique et le champ magnétique de la radiation. On a affaire, dans ce cas, à des transitions dipolaires magnétiques. L’étude des conditions de transition précédentes par la mécanique quantique a conduit à établir des règles de sélection en fonction des nombres quantiques. Elles précisent, parmi toutes les transitions énergétiquement possibles celles qui donnent lieu à une transition : les transitions permises, et celles qui n’y donnent pas lieu : les transitions interdites. V – Différentes formes d’énergie On distingue 4 modes de mouvement, et donc d’énergie, pour les molécules :   La translation   La rotation   La vibration  Electronique (déformation du nuage) Une première simplification consiste à séparer le mouvement de translation uniforme d’ensemble de la molécule dont l’énergie n’est pas quantifiée. Ensuite, on distingue électrons et noyaux, particules de masses très différentes (les noyaux sont 103 à 105 fois plus lourds). Les mouvements des électrons sont donc « beaucoup plus rapides » que ceux des noyaux. Les mouvements des électrons pourront être étudiés en considérant les noyaux comme fixes (approximation de Born-Oppenheimer). Ceci revient à séparer les énergies : d’une part l’énergie électronique Ee et d’autre part l’énergie due au mouvement des noyaux dont on distingue deux composantes : l’énergie de vibration Ev et l’énergie de rotation Er. Ainsi, on peut écrire l’énergie totale sous la forme : ET = Ee + Ev + Er. Ces trois énergies ont des ordres de grandeurs très différents : Ee  Ev  Er. On peut résumer ceci sur le diagramme d’énergie suivant : 9 VI – Les types de spectres L’interaction de la matière avec un rayonnement électromagnétique provoque des transitions qui se manifestent par des spectres de raies ou de bandes. VI.1 - Spectres de raies Dans un atome, une variation de l’énergie électronique donne naissance à une seule raie spectrale. La position de chaque raie correspond à une radiation monochromatique. VI.2 - Spectres de bandes Théoriquement, le spectre d’une molécule est un spectre de raies (quantification, valeurs discrètes d’énergie). Cependant, outre les niveaux électroniques, il existe d’autres niveaux d’énergie entre lesquels on peut expérimentalement observer des transitions. Ainsi, une transition entre deux niveaux électroniques peut conduire à une modification des énergies à la fois de vibration et de rotation, donc à un ensemble de transitions d’énergies très voisines ce qui conduit à un spectre de bandes. 10 VII - Spectre électromagnétique La région visible du spectre de la lumière solaire ne représente qu'une petite partie du spectre total. Il existe d'autres régions invisibles caractérisées par des longueurs d'onde différentes et précisées sur la figure représentant le spectre électromagnétique. Ce dernier représente donc un ensemble continu des ondes électromagnétiques connues, classées dans l'ordre de leurs longueurs d'onde, de leurs fréquences et de leurs énergies. Spectre électromagnétique VII – Les diverses spectroscopies Les spectroscopies s’intéressent à l’ensemble des sauts d’énergie possibles prévus par nos connaissances sur la quantification des énergies atomiques et moléculaires. Ces sauts couvrent une très grande gamme d’énergie sur l’étendue du spectre électromagnétique. Il en résulte que les méthodes sont extrêmement diverses. On peut citer quelques exemples. VII.1 - Spectroscopie d’Absorption dans l’UV et le Visible Les spectres dépendent essentiellement de la structure électronique des couches externes. Cette région est concernée par divers types de spectroscopies atomiques et moléculaires. 1 - Introduction Dans une molécule, les transitions électroniques ont lieu dans la région de l’ultraviolet et du visible. Le domaine UV-visible s'étend environ de 800 à 10 nm.  visible : 800 nm (rouge) - 400 nm (indigo)  proche-UV : 400 nm - 200 nm  UV-lointain : 200 nm - 10 nm. 11 2 – Principe et règle de sélection Les transitions UV-visibles mettent en jeu les énergies les plus importantes de la chimie (environ de 13000 à 50000 cm-1 soit 160 à 665 kJ·mol-1). L’ordre de grandeur des énergies mises en jeu est celui des énergies de liaison des molécules et ces rayonnements peuvent parfois provoquer des ruptures de liaisons. Plus généralement, ils provoquent des transitions électroniques entre les déférents niveaux d’énergie des molécules. Une transition électronique est analysée comme un changement de population entre une orbitale moléculaire fondamentale occupée et une orbitale moléculaire excitée vacante. Lorsqu'elle a lieu, la matière absorbe un photon dont l'énergie correspond à la différence d'énergie entre ces niveaux fondamental et excité. Mais toutes les transitions énergétiquement possibles ne sont pas permises. Les règles de sélection déterminent si une transition est permise (active) ou interdite (inactive). Les transitions permises sont celles qui provoquent une variation du moment dipolaire électrique. De plus, une transition permise a lieu si les orbitales impliquées au cours de ce processus sont telles que l = ±1 et S = 0. En d'autres termes, le photon fait changer la symétrie de l'orbitale occupée par l'électron avant et après la transition mais ne fait pas changer le spin de cet électron. 3 – Absorption de la lumière & Loi de Beer-Lambert Interactions Lumière-Matière : Lorsque la lumière UV ou visible traverse un échantillon, certaines longueurs d'onde sont absorbées par les molécules présentes. Cette absorption est due à des transitions électroniques, où les électrons passent d'un niveau d'énergie inférieur à un niveau supérieur. L'intensité de la lumière absorbée est proportionnelle à la concentration de l'analite et à la distance que la lumière parcourt dans l'échantillon : Soit une lumière monochromatique traversant une solution absorbante de concentration C contenue dans une cuve d’épaisseur ℓ. Une partie de ce rayonnement sera absorbée par l’échantillon et une partie sera transmise. Bouguer, Lambert et Beer ont étudié les relations qui existent entre I0 et I : 12 L’intensité d'une lumière monochromatique traversant un milieu où elle est absorbée décroît de façon exponentielle I = I0 e-kℓC  I0 est l'intensité de la lumière incidente  I est l'intensité après passage à travers la cuve contenant la solution (intensité transmise)  ℓ est la distance traversée par la lumière (épaisseur de la cuve en cm).  C est la concentration des espèces absorbantes.  k est une constante caractéristique de l’échantillon. Cette équation peut se réécrire : log(Io/I) = kℓC/2.3 =  ℓ C.  log(I0/I) est appelé absorbance (A)  I/I0 = T est la transmission  % T est la transmittance = (I/I0).100   est le coefficient d'extinction molaire ; c’est une caractéristique de la substance étudiée à une longueur d'onde donnée. Si C est la molarité,  est en L.mol-1.cm-1. On obtient alors la relation connue sous le nom de loi de Beer-Lambert : A = - log T =  ℓ C Validité de la loi de Beer-Lambert La loi de Beer-Lambert s'applique pour des radiations monochromatiques et sa validité est bonne lorsqu'on travaille avec des solutions suffisamment diluées pour ne pas modifier les propriétés des molécules (association, complexation …). Allure du spectre d’absorption UV-visible : Spectre UV-visible : tracé de l’absorbance en fonction de la longueur d’onde (usuellement exprimée en nm) La Bande caractérisée par position λmax, son intensité reliée au coefficient d’extinction molaire εmax. Fig. : – Allure du spectre d’absorption UV-visible 13 Rq : Chaque substance a un spectre unique qui peut être utilisé pour son identification. Additivité de l’absorbance : A une longueur d’onde λ, l’absorbance A d’un mélange de n espèces absorbantes est la somme des absorbances des espèces c’est à dire : 𝑛 𝐴=∑ 𝐴𝑖 avec A = 𝑓(𝜀𝑖 ℓ𝐶𝑖 ) 𝑖=1 Détermination de la concentration d’une solution par étalonnage : A partir de la loi de Beer-Lambert, il est possible de déterminer la concentration d’une espèce par mesure de son absorbance (A). Pour cela, on peut suivre le protocole expérimental suivant :  On détermine la longueur d’onde correspondant au maximum d’absorption λmax.  On prépare une série de solution à différentes concentrations Ci, et on mesure l’absorbance Ai de chacune de ces solutions à λmax.  On trace la courbe d’étalonnage Ai = f(Ci).  On mesure l’absorbance A de notre solution de concentration inconnue à λmax. A partir de la courbe on peut lire la concentration C de notre solution d’absorbance A. Fig.III.12 : Courbe d’étalonnage. 4 – Techniques Expérimentales a – Appareillage L’étude des absorptions nécessite l’utilisation d’un appareil appelé spectrophotomètre UV- Visible. La figure suivante représente le schéma de principe d'un spectromètre d'absorption UV- visible double faisceau. 14 Il est constitué des éléments suivants : Source Le rôle de la source est de fournir la radiation lumineuse. Dans la région de l’UV (190 à 400 nm), la source est une lampe à décharge au deutérium. Une lampe à filament de tungstène est utilisée pour la région allant de 350 à 800 nm. Monochromateur Le monochromateur a pour rôle de disperser le rayonnement polychromatique provenant de la source et d’obtenir des radiations monochromatiques. Les monochromateurs les plus utilisés sont composés en général d'une fente d'entrée, d'un dispositif de dispersion comme un prisme ou un réseau et d'une fente de sortie. L'échantillon et le détecteur, placés juste derrière le monochromateur, ne seront donc traversés que par un domaine étroit de longueurs d'onde. Diviseur de faisceau ou photomètre La lumière monochromatique qui émerge du monochromateur est séparée en deux faisceaux qui traversent les compartiments de l’échantillon et de la référence. Détecteur Le détecteur est un tube photomultiplicateur qui convertit la lumière reçue en courant. Ce type de détecteurs est de plus en plus remplacé par des photodiodes (semi-conducteurs) plus sensibles. Le détecteur est relié à un enregistreur qui permet de tracer un spectre d’absorption de l’échantillon analysé. Remarque : En UV-visible, le porte-échantillon est placé à la sortie du monochromateur, et non après la source, afin d’éviter de détériorer l’échantillon avec le rayonnement UV provenant de la source. 15 b - Echantillonnage Les composés peuvent être étudiés dans divers états physiques (gazeux, liquide, solide …). La plupart du temps, l’étude se fait en solution. - Solvants Pour l’étude en solution, le composé doit être dissous dans un solvant convenablement choisi : il doit dissoudre le produit et être transparent (n’absorbe pas) dans la région examinée. Le tableau suivant donne la zone d’absorption de certains solvants et matériaux. Exemple : L’hexane peut être utilisé comme solvant pour des échantillons qui absorbent à des longueurs d’onde supérieures à 210 nm. - Cellules La solution à étudier doit être placée dans une cellule ou cuve. Les cellules de mesure sont généralement des tubes parallélépipédiques de 1x1 cm de côté et 4 à 5 cm de hauteur. Elles sont en quartz pour le domaine UV-visible. Le verre est réservé aux mesures dans le domaine visible uniquement. Applications de la spectroscopie UV-Visible  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. 16  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. Ces mesures ont des applications dans divers domaines : - En laboratoire :  Suivi de la cinétique d’une réaction  Mesure des constantes de dissociation d’acides et de bases ou des constantes de complexation…  Détermination de la composition d’un mélange (benzène dans le cyclohexane)  Etude d’isomérie cis-trans ou de tautomérie - Police scientifique - Expertise judiciaire - Environnement :  Ozone dans l’air des villes  Métaux lourds dans l’eau.  Mesure du phénol dans l’eau (à la bande 200-300 nm)  Matière organique, matières en suspension, nitrates contenus dans l'eau - Lutte antidopage - Agroalimentaire - Mesure des couleurs - Pharmacie :  Dosage du fer dans un médicament  Dosage des molécules actives dans une préparation pharmaceutique - Parfums et cosmétiques : les crèmes solaires contiennent des filtres UV ou « écrans solaire ». VII.2 - Spectroscopies dans l’infrarouge (IR) Les spectres sont dus à des modifications dans l’état de rotation et de vibration des molécules. I – Introduction Les mouvements des atomes d’une molécule peuvent être classés en trois catégories : - les translations - les rotations - les vibrations 17 Les vibrations moléculaires ont lieu à différentes fréquences (vib) qui dépendent de la nature des liaisons ainsi que de leur environnement. Ces fréquences correspondent au domaine infrarouge du rayonnement électromagnétique. Les radiations infrarouges (IR) constituent la partie du spectre électromagnétique dont les longueurs d’onde sont supérieures à celles du visible et inférieures à celles des ondes radio. Le domaine de l’infrarouge se subdivise en trois régions : Proche-IR 0,8-2,5  12500-4000 cm-1 IR moyen 2,5-25  4000- 400 cm-1 IR lointain 25-1000  400- 10 cm-1 II – Théories des vibrations moléculaires Les molécules ne sont pas un assemblage rigide d'atomes mais ressemblent à un ensemble de boules, les atomes, liées par des ressorts de forces variables, les liaisons chimiques. Quand on soumet une molécule à une radiation infrarouge, la molécule se met à vibrer. Ceci a pour effet de modifier les distances interatomiques et les angles. II.1 - Vibrations des molécules diatomiques - Approximation harmonique Le mouvement de vibration d’une molécule diatomique peut s’interpréter dans le cadre de la mécanique classique. Une molécule diatomique peut être modélisée comme un oscillateur harmonique de masse  (masse réduite) et de constante de force k. II.2.1 - Fréquence de vibration Si l’on écarte les deux masses mA et mB d’une valeur r-r0 par rapport à la distance d’équilibre r0 et qu’on relâche le système, celui-ci se met à osciller. 18 La fréquence d’oscillation est donnée par la loi de Hooke : 1 k m A mB   2  m A  mB ν : fréquence de la vibration k : constante de force de la liaison μ : masse réduite mA et mB: masses des atomes A et B respectivement. Par convention, les unités en spectroscopie vibrationnelle sont en nombres d’onde : La fréquence ou nombre d’onde de vibration du système A-B dépend de μ et de k. Effet de k : La fréquence de vibration est proportionnelle à k. Liaison C-H =C-H -C-H Nombre d’onde (cm-1) 3300 3100 2900 k (N.m-1) 593 523 458 Type de liaison sp-s sp2-s sp3-s Longueur de liaison (C-H) (Å) 1,08 1,10 1,12 (C-C)= 1200cm-1 ; (C= C)= 1650cm-1 Effet de μ : La fréquence de vibration est inversement proportionnelle à μ. Liaison m2 (g)  (g) C-H 3000 1 0,923 C-C 1200 12 6,000 C-O 1100 16 6,857 C-Cl 800 35,5 8,968 II.2.2 - Règles de sélection Pour qu’une transition vibrationnelle soit possible, il faut que la loi de Planck E = hsoit vérifiée. Cette condition est nécessaire mais pas suffisante. Ceci se produit quand la vibration fait varier le moment dipolaire de la molécule. Pour un oscillateur harmonique, la règle de sélection entre niveaux vibrationnels de nombres quantiques v est : Δv = ± 1, le signe + correspond à une absorption, le signe - à une émission. 19 III - Appareillage Les éléments principaux d’un spectromètre IR sont une source de rayonnement infrarouge, un monochromateur, un détecteur du signal et un enregistreur. Deux techniques principales sont utilisées pour l'obtention des spectres infrarouges : - La première, et la plus ancienne, est dite à balayage - La seconde est dite à transformée de Fourier (FT-IR). a- Spectromètre IR à balayage Le spectromètre à balayage se présente la plupart du temps sous la forme d'un double faisceau. Le premier faisceau est destiné à recevoir l'échantillon à analyser et le second la référence. Les signaux de chaque faisceau sont combinés puis un système dispersif ou monochromateur sépare les différentes longueurs d'onde présentes, dont l'intensité est ensuite mesurée par le détecteur. Ce dernier est couplé à un enregistreur. La source Le choix de la source dépend de la région d’étude. Dans la plupart des cas, on travaille dans la région de l’infrarouge moyen (4000-400 cm-1). On utilise alors une source Globar à base de carbure de silicium. Le monochromateur L'échantillon est éclairé avec un rayonnement infrarouge polychromatique. Un système dispersif ou monochromateur est placé après l’échantillon. Pour les spectromètres à balayage, on utilise un système dispersif tels que les prismes ou les réseaux de diffraction. Le détecteur La détection du signal a lieu par un composant assurant la conversion de la radiation incidente en un signal électrique qui sera amplifié et traité. En infrarouge, le détecteur utilisé est de type thermique. Il détecte les variations de température et les transforme en variation d’intensité. 20 b- Spectromètre à transformée de Fourier Les éléments principaux sont identiques à ceux d’un spectromètre à balayage sauf pour le système dispersif qui est un interféromètre de Michelson. L'interféromètre possède trois principaux composants : une lame séparatrice, un miroir fixe et un miroir mobile. Remarque La plupart des analyses IR se font en transmission. Cependant, les analyses par réflexion sont de plus en plus utilisées. Dans ce cas, le produit à analyser est déposé sur une surface réfléchissante et on analyse la lumière réfléchie. IV- Techniques d’échantillonnage en spectroscopie FT-IR Le choix de la technique d’échantillonnage dépend de la nature de l’échantillon. IV.1- Gaz : La spectrométrie par transmission pour les gaz demande des cellules formées de fenêtres en NaCl, KBr, CaF2 et dont le trajet optique est au minimum de quelques centimètres (figure 1). 21 Figure 1 : Cellule pour les gaz IV.2- Liquides : Les liquides purs sont analysés en utilisant la méthode du film qui consiste à déposer une goutte du produit entre deux faces transparentes en l’infrarouge (figure 2). Figure 2 : Schéma éclaté pour la préparation d’un film Pour les solutions, nous utilisons des cellules de différentes épaisseurs dont lesquelles la solution est introduite à l’aide d’une seringue. Figure 3 : Vue éclatée d'une cellule de lames en NaCl pour liquides 22 IV.3 - Solides : Une variété de méthodes existe pour analyser les échantillons solides, les plus utilisées sont : la pastille et la suspension. IV.3.1- Pastille: L'échantillon et la matrice IR transparente, tel que le KBr, sont broyés ensemble dans un mortier en agathe (a) pour obtenir une poudre qui sera introduite par la suite dans le moule à pastiller (b). L’ensemble est soumis à une pression de 8 tonnes/cm2 à l’aide d’une presse hydraulique (c). A la fin, on obtient une pastille transparente d’un mm d’épaisseur (d). Figure 4 : Matériel pour préparer une pastille IV.3.2-Suspension Une autre méthode d'analyse de produits solides consiste à faire une pâte en broyant l'échantillon dans un liquide visqueux, tel que le Nujol, et à la placer entre deux fenêtres transparentes en IR. Domaine d'application de la spectroscopie infrarouge. Voici quelques-uns des plus courants : -Chimie analytique : Utilisée pour identifier et caractériser les molécules, la spectroscopie IR permet d'analyser les liaisons chimiques et les groupes fonctionnels dans les composés. -Pharmacologie : Employée pour l'analyse des médicaments, cette technique aide à vérifier la pureté et la composition des substances actives. -Biologie et biochimie : Utilisée pour étudier des biomolécules comme les protéines et les lipides, la spectroscopie IR permet de comprendre leur structure et leurs interactions. -Industrie pétrolière : Utilisée pour analyser les hydrocarbures et les produits pétroliers, elle aide à évaluer la qualité et la composition des échantillons. -Matériaux : Permet de caractériser des polymères, des composites et d'autres matériaux en analysant leurs propriétés chimiques et physiques. 23 VII.3- Spectroscopie de Résonnance Magnétique Nucléaire du proton (RMN1H) 1. Introduction : La résonance magnétique nucléaire (RMN) est une technique spectroscopique permettant d'identifier la structure de composés (liquide ou solide), de caractériser leur enchaînement atomique, et d'obtenir des informations sur l'environnement (nature des voisins proches) des noyaux atomiques. Cette méthode d'analyse est puissante et très performante, utilisée aussi bien en analyse structurale qu'en analyse quantitative. Le phénomène de RMN correspond à une absorption sélective d'énergie par des noyaux possédant un moment magnétique, placés dans un champ magnétique et irradiés par une onde électromagnétique. La RMN est devenue aujourd'hui un outil indispensable et incomparable et elle s’applique aux éléments possédant un nombre de spin nucléaire non nul. 𝑧 Un nucléide quelconque 𝐴 X a un nombre de spin I non nul si les nombres Z (nombre de protons) et A (nombre de masse) ne sont pas tous les deux pairs. Historique : Les premières expériences de RMN ont été conduites à la fin de l'année 1945 par deux équipes américaines. Les premiers résultats furent publiés dans les premiers mois de 1946 par Edward M. Purcell et Félix Bloch. Leurs travaux leur valurent conjointement le Prix Nobel de Physique en 1952. C'est seulement au début des années 1970 que la méthode RMN prit son essor grâce aux travaux du suisse Richard R. Ernst (Prix Nobel de Chimie en 1991). Aujourd’hui, la technique RMN est devenue un outil très précieux du diagnostic médical des tissus. Les examens pratiqués sot des examens par IRM, ou Imagerie par Résonance Magnétique, sigle permettant de « masquer » le mot Nucléaire auprès du grand public… Cette présentation de la RMN est rapide et nécessairement incomplète. Nous dirons simplement que la RMN est bien l'expérience de physique qui a révolutionné l'analyse chimique. 24 2. Principes généraux de la RMN : a. Définition : La résonance magnétique nucléaire (RMN) est une technique spectroscopique qui repose sur le magnétisme du noyau. Elle est fondée sur la Mesure de l’absorption d’une radiation dans le domaine des fréquences radio (RF) par un noyau atomique dans un champ magnétique fort. La RMN nous permet:  de détecter les noyaux atomiques, et qui nous dit dans quel type d'environnement ces noyaux se trouvent à l'intérieur d’une molécule.  Permet de connaitre la composition et la structure d'un échantillon de matière Elle constitue l’une des plus Puissantes méthodes de détermination de la structure des composés organiques et inorganiques. VI.2.2. Le spin nucléaire : Un noyau est observable par R.M.N. s'il présente des propriétés magnétiques caractérisées par l'existence d'un spin I non nul. (I c’est le nombre quantique de spin). Le spin a été introduit pour rendre compte de la structure fine du spectre de l'hydrogène. Même en l'absence de perturbations extérieures, on observe une ou plusieurs transitions d'énergies très voisines alors que la théorie ne tenant compte que des nombres quantiques n, ℓ et m ne permet de prévoir qu'une seule énergie de transition. n: nombre quantique principal. ℓ : nombre quantique azimutal (tel que ℓ < n-1 ou ℓ = n-1). m : nombre quantique magnétique (tel que -ℓ < m < ℓ ou m = ℓ ou m = -ℓ ). Le noyau de l'atome d'hydrogène est constitué d'un seul proton. Son spin I (dit spin nucléaire) est égal à celui du proton, I = 1/2 ce qui correspond à deux valeurs du nombre magnétique de spin ms= ±1/2. Pour des atomes plus lourds que l'hydrogène, le spin nucléaire 25 I peut avoir une valeur multiple de 1/2 ou peut être nul (cas des noyaux pour lesquels A et Z sont pairs). VI.2.3.Les états quantiques magnétiques de spin : Pour une particule ou un noyau placé dans un champ magnétique, les états de spin sont quantifiés, c'est-à-dire qu'ils ne peuvent prendre qu'un nombre précis de valeurs qui sont définies par un nombre quantique magnétique de spin ms. Les valeurs possibles du nombre quantique magnétique de spin d'une particule ou d'un noyau de spin égal à I sont ms = -I, -I+1,... 0,..., I-1, I. Le nombre d'états stationnaires distincts est donc égal à (2I) + 1. Le nombre quantique de spin nucléaire I peut avoir une valeur égale à 0, 1/2, 1, 3/2, 2, 5/2,…. (I est un entier ou demi-entier) 1 I=1/2 H, 19F, 13C, 31P I=3/2 11B, 23Na I=1 2H, 14N I=0 12C, 16O Rq : en RMN on s'intéresse aux noyaux des atomes. Un noyau peut être étudié par RMN si son spin I est non nul. (I=0 pas de spin, la charge ne tourne pas). VI.2.4.Propriétés magnétiques du noyau atomique Comme indiqué sur les deux figures suivantes, on peut, en première approximation, assimiler le noyau de tout atome à une particule sphérique tournant autour d’un de ces axes, mouvement auquel on associe un moment cinétique de rotation, dit « de spin», 26 représenté par un vecteur. On est ainsi conduit à associer au moment cinétique de spin I un moment magnétique de spin μ qui lui est colinéaire et proportionnel, soit : h Ou En écrit en module  = γ..I 2𝜋 Le verbe en anglais To spin = veut dire tourner ; c'est-à-dire tourner autour de lui même  : Moment magnétique nucléaire.  : est appelé rapport gyromagnétique du noyau. Pour le proton (H): H = 2,675221.108 rad. s-1.T-1.L’Unité c’est (radian. Seconde -1.Tesla -1) Pour un noyau donné avec un spin I non nul, il existe 2I+1 orientations (règle de sélection en Mc Quantique) différentes du moment angulaire ou du dipôle magnétique dans un champ magnétique statique. - Interaction spin nucléaire-champ magnétique En l'absence de champ magnétique externe, les moments magnétiques de spin sont orientés au hasard. Par contre, sous l'action d'un champ magnétique statique H0, ces moments vont s’aligner selon la direction du champ imposé. Absence de champ magnétique externe H0 Action d’un champ magnétique externe H0 27 Selon les lois de la mécanique quantique, seules certaines orientations discrètes de ces vecteurs sont autorisées. Dans le cas du proton, deux orientations sont permises : parallèle et antiparallèle.  IH =1/2 Donc 2I +1 = 2(1/2) +1= 2  Cela veut dire deux orientations possibles c'est-à-dire deux états énergiques différentes (ΔE non nulle). La différence d’énergie, ΔE, entre les deux états (notés par α et β) dépendra directement de la force du champ magnétique H0 selon : Représentation de l’éclatement entre les niveaux énergétiques d’un noyau de nombre de spin I = 1/2 placé dans un champ magnétique. Les quatre valeurs choisies du champ H 0 correspondent, pour le proton, à des appareils commerciaux dits à 60, 200, 300 et 400 MHz. (B0 représente la densité de flux magnétique exprimée en tesla : 1T équivaut à 10 000 gauss). D’où la différence ΔE, entre les deux états (α et β), est de : 𝐡 𝚫𝐄 = 𝐄(𝛃) − 𝐄(𝛂) = 𝛄..𝐇 relation (*) 𝟐𝝅 𝟎 FRÉQUENCE DE LARMOR D’un point de vue analytique, si on peut mesurer la différence d’énergie qui sépare dans un champ H0 les deux populations (dans le cas où I = 1/2), on pourra identifier le noyau correspondant d’après sa constante gyromagnétique g. Pour évaluer cette différence d’énergie on va, comme en spectroscopie optique, créer les conditions de passage de l’un à l’autre des niveaux, c’est à dire provoquer un signal de résonance. Pratiquement on irradie les noyaux placés dans le champ magnétique avec une source de radiations électromagnétiques de 28 fréquence variable dont la direction de propagation est perpendiculaire au champ extérieur. Il y aura absorption si : 𝐡𝟎 = 𝐄(𝛃) − 𝐄(𝛂) La relation (*) conduit alors à la relation fondamentale de résonance : 𝛄 𝟎 =.𝐇 𝟐𝝅 𝟎 0 est la fréquence du mouvement du proton en rotation est appelée fréquence de Larmor.  Le principe de la RMN du proton (RMN1H) consiste à : (i) utiliser un champ magnétique H0 pour orienter les "spins" nucléaires des atomes, (ii) exciter ces spins par une onde radio à la fréquence de résonance, ce qui fait basculer certains spins, (iii) après l'excitation, les spins reviennent à leur état initial (relaxation). III – Techniques Expérimentales III.1 - Appareillage Il existe 2 types de spectromètres, le spectromètre à balayage ou à onde continue (continuous-wave, cw), et le spectromètre par transformée de Fourier (FT-NMR). Fig. : Schéma d’un spectromètre RMN Les éléments suivants sont indispensables pour constituer un spectromètre :  Un aimant pour produire le champ statique H0.  Une source de radiations électromagnétiques de fréquence appropriée (générateur).  Une unité de balayage de fréquence dans tout le domaine des absorptions.  Une cellule contenant l'échantillon.  29  Un détecteur (récepteur de radiofréquence) qui mesure la quantité de radiation absorbée par la cellule.  Un enregistreur qui trace l'énergie absorbée en fonction de la fréquence. III.2 - Echantillonnage Pour l’étude en solution, l'échantillon est dissous dans un solvant. La quantité de produit nécessaire pour la RMN du proton est de 10 à 50 mg. L'échantillon est placé dans un tube en verre mis en rotation au centre d'une bobine magnétique. Le solvant choisi doit être dépourvu d’hydrogènes. En effet, les protons du solvant ne doivent pas masquer les protons de l'échantillon examiné. Solvants employés : CCl4, CDCl3; CD3COCD3 ; CD3OD3; C5D5N; D2O ; DMSO-d6 … IV – Principales Caractéristiques du Signal RMN Est le déplacement chimique noté ppm qui définit la position des raies par rapport à une référence. Comme référence utilisée dans le cas de RMNH est le Tétraméthylsilane (TMS) de formule chimique Si(CH3)4. Par commodité, on utilise une échelle de notation : Déplacement chimique i exprimé en partie par million (ppm) définie par la relation : 𝒊 − 𝒓𝒆𝒇 𝐩𝐩𝐦 =. 𝟏𝟎𝟔 𝟎 i : fréquence de résonance du noyau i ref : fréquence de résonance de la référence (TMS) 0 : fréquence du champ statique H0  : Caractéristique de l’environnement du proton  Protons de même environnement : magnétiquement équivalents ; même   Protons avec différents environnements : magnétiquement différents; ≠ 30 Exemple : On donne ci-dessous le signal obtenu par analyse RMN1H d’un composé organique de formule brute C9H12. Ce signal est sous d’un spectre constitué de plusieurs pics (signaux singlet, doublet, triplet ou multiplet). Chaque signal (les pics) possède un déplacement chimique (ppm) et une hauteur h (appelée courbe d’intégration) sont caractéristiques d’un certains nombre de protons H avec leurs environnement voisin au sein de la molécule organique étudiée. Cette partie (l’analyse des spectres RMNH) est un complément pour connaitre l’allure de spectre en RMN (hors du programme Actuellement). Applications de la spectroscopie RMN La spectroscopie RMN est une technique non destructive et non invasive qui permet de déterminer la structure et la dynamique moléculaires. Les applications de la RMN sont diverses et incluent les domaines de recherche et industriels suivants : -En biologie, la RMN est appliquée à l'étude des macromolécules, telles que les protéines, les lipides et les acides nucléiques. 13C, 1H, 15N, 31P, 23Na et 19F, les noyaux actifs en RMN les 31 plus pertinents du point de vue biologique sont utilisés pour comprendre les voies biochimiques impliquées dans le métabolisme des acides aminés, des lipides et des glucides. -En chimie, la RMN est largement utilisée aussi bien pour des analyses qualitatives que quantitatives afin de suivre les réactions, d'identifier les structures et d'évaluer la pureté des échantillons. -En science des polymères, elle permet d'analyser le ratio entre différents monomères, le poids moléculaire, la tacticité, le séquençage, la longueur de chaîne et le degré de ramification, et d'identifier les groupes terminaux. -Dans l'industrie pharmaceutique, elle sert à déterminer la pureté et la quantité des principes actifs, des excipients et des impuretés dans les produits pharmaceutiques. -Dans l'industrie pétrolière, elle est employée pour évaluer les hydrocarbures dans le pétrole brut et dans ses produits. -En médecine, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) est une application de la RMN permettant d'analyser les tissus mous afin d'identifier les tissus endommagés ou malades. VII.4- SPECTROMETRIE DE MASSE 1 - Introduction La spectrométrie de masse est une technique d'analyse permettant de détecter et d'identifier des molécules par mesure de leur masse. De plus, elle permet de caractériser la structure chimique des molécules en les fragmentant et de réaliser des analyses quantitatives. Des limites de détection inférieures au nanogramme (10-9 g) et même au picogramme (10 -12 g) sont souvent atteintes. La spectrométrie de masse est utilisée dans pratiquement tous les domaines scientifiques : chimie organique, dosages, astrophysique, biologie, médecine... 2 - Principe d’ionisation par impact électronique Dans le spectromètre, un faisceau d’électrons très énergétiques frappe l’échantillon. Il se produit alors une ionisation des molécules : est un cation-radical, appelé ion moléculaire. Il correspond à la masse molaire du composé. Il se fragmente et produit des cations de masses inférieures, appelés ions fragments, 32 et des fragments neutres (radicaux ou molécules). Les ions fragments chargés sont triés selon leur rapport m/z et mesurés selon leur abondance relative. 3 – Appareillage Un spectromètre de masse est constitué de cinq éléments principaux :  Le système d’introduction qui fait pénétrer l’échantillon dans le spectromètre.  La source d’ions dans laquelle les molécules sont ionisées. Il existe plusieurs méthodes d’ionisation. La plus répandue est l’impact électronique.  L’analyseur qui sépare les ions en fonction du rapport (m/z) par application d’un champ magnétique et/ou électrique.  Le détecteur qui collecte les ions sortants de l'analyseur et les exprime en fonction de leur abondance relative.  Un ensemble informatique de traitement des données qui permet de transformer les informations reçues par le détecteur en spectre de masse. 4- Applications de la spectrométrie de masse La spectroscopie de masse (SM) est une technique analytique très polyvalente utilisée dans de nombreux domaines. Voici quelques-uns de ses principaux domaines d'application : Chimie organique : Identification et caractérisation de composés organiques, détermination de structures moléculaires et analyse de mélanges complexes. Biologie et biochimie : Analyse de protéines, acides nucléiques, lipides et métabolites. Elle est essentielle dans la protéomique, la génomique et l'étude des voies métaboliques. 33 Pharmacie : Développement de médicaments, contrôle de la qualité des produits pharmaceutiques, études de pharmacocinétique et métabolisme des médicaments. Environnement : Détection et quantification de polluants, analyse de résidus de pesticides et études de contaminations environnementales. Alimentation : Analyse de la composition des aliments, détection de contaminants et études de la provenance des produits alimentaires. %