Rayonnement électromagnétique et interactions avec la matière
La spectroscopie repose sur l'interaction entre un rayonnement électromagnétique et la matière. L'énergie d'un photon est E = h·ν = h·c/λ, où h est la constante de Planck (6,626 × 10⁻³⁴ J·s), ν la fréquence et λ la longueur d'onde. Différentes régions du spectre interrogent différents niveaux d'énergie :
- Micro-ondes (λ ~ cm) : rotations moléculaires.
- Infrarouge (IR, λ = 2,5–25 μm ; ν̃ = 400–4 000 cm⁻¹) : vibrations moléculaires.
- UV-Visible (UV-Vis, λ = 200–800 nm) : transitions électroniques.
Le nombre d'onde ν̃ = 1/λ (en cm⁻¹) est l'unité pratique en IR car il est proportionnel à l'énergie. On retiendra : ν̃ (cm⁻¹) = 10⁷ / λ (nm).
Spectroscopie infrarouge — modes vibrationnels
Une molécule non linéaire à N atomes possède 3N − 6 modes normaux de vibration (3N − 5 pour une molécule linéaire). Chaque mode est une vibration collective à fréquence propre. Les deux grandes catégories sont :
- Élongations (stretching) : variation de la longueur de liaison. Symétrique (νs) ou asymétrique (νas).
- Déformations (bending) : variation d'angle de liaison — cisaillement (scissors), balancement (rocking), torsion (wagging), torsion hors plan (twisting).
Règle de sélection IR : un mode est actif en IR si la vibration entraîne une variation du moment dipolaire. Les molécules centrosymmétriques (CO₂ en élongation symétrique) donnent des modes IR muets mais actifs en Raman.
| Liaison | ν̃ typique (cm⁻¹) | Intensité |
|---|---|---|
| O–H (alcool, libre) | 3 580–3 650 | forte, fine |
| O–H (alcool, lié H) | 3 200–3 550 | forte, large |
| N–H | 3 300–3 500 | moyenne |
| C–H sp³ | 2 850–2 960 | moyenne |
| C≡N, C≡C | 2 100–2 260 | variable |
| C=O (cétone) | 1 700–1 725 | très forte |
| C=O (ester) | 1 735–1 750 | très forte |
| C=C aromatique | 1 450–1 600 | moyenne |
| C–O | 1 000–1 300 | forte |
La région 500–1 500 cm⁻¹ est appelée empreinte digitale (fingerprint) : les modes sont très couplés et difficilement assignables individuellement, mais le profil global est unique pour chaque molécule.
Lire un spectre IR
La démarche systématique comporte trois étapes :
1. Région 4 000–2 500 cm⁻¹ : identifier les élongations X–H (O–H, N–H, C–H). Une bande large et forte autour de 3 300 cm⁻¹ indique un alcool ou une amine à pont hydrogène. 2. Région 2 500–1 500 cm⁻¹ : repérer les triples liaisons (vers 2 100 cm⁻¹) et les carbonyles (1 680–1 750 cm⁻¹). La position exacte du C=O renseigne sur la fonction : acide carboxylique (vers 1 710 cm⁻¹), aldéhyde (1 720–1 740 cm⁻¹), amide (1 630–1 680 cm⁻¹). 3. Region d'empreinte digitale : confirmer ou infirmer une hypothèse par comparaison avec des spectres de référence (NIST WebBook, SDBS).
L'éthanol présente par exemple : O–H large (3 200–3 550 cm⁻¹), C–H sp³ (2 870–2 980 cm⁻¹) et C–O fort (1 050 cm⁻¹). L'absence de carbonyle exclut toute fonction ester ou cétone.
Spectroscopie UV-Visible — transitions électroniques
En UV-Vis, le photon absorbé promeut un électron d'un orbital peuplé vers un orbital vide de plus haute énergie. Les transitions observées sont :
- π → π* : chromophores conjugués (diènes, aromatiques, cétones α,β-insaturées). λ_max = 200–400 nm ; très intenses (ε = 10 000–100 000 L·mol⁻¹·cm⁻¹).
- n → π : doublets non-liants sur O, N, S vers π. λ_max = 270–380 nm ; faibles (ε < 1 000 L·mol⁻¹·cm⁻¹).
- n → σ* : moins fréquemment observées dans le visible, situées souvent < 200 nm (UV lointain, sous la coupure de l'air).
Le benzène absorbe à λ_max ≈ 254 nm (bande B, π → π) avec un coefficient molaire ε ≈ 200 L·mol⁻¹·cm⁻¹. L'ajout d'un chromophore conjugué (groupement nitro, azoïque) déplace λ_max vers le rouge (effet bathochrome*) et augmente ε.
Loi de Beer-Lambert et quantification
La loi de Beer-Lambert relie l'absorbance A à la concentration c :
A = ε · l · c
où ε est le coefficient d'absorption molaire (L·mol⁻¹·cm⁻¹), l le chemin optique (cm) et c la concentration (mol·L⁻¹). Elle est valable pour A ∈ [0,1 ; 1,0] et une solution idéalement diluée.
La spectrophotométrie UV-Vis est utilisée en dosage enzymatique, suivi cinétique, et contrôle qualité pharmaceutique (identité et teneur d'un principe actif). L'impureté d'un solvant absorbe toujours en dessous de sa coupure UV (eau : 200 nm ; hexane : 200 nm ; acétonitrile : 190 nm ; DCM : 235 nm).
Association IR et UV-Vis dans la pratique
Les deux techniques sont complémentaires : l'IR identifie les fonctions (O–H, C=O, C–N) tandis que l'UV-Vis sonde le système π conjugué. Sur un extrait naturel inconnu : un carbonyle fort en IR + une absorption UV intense à 300 nm orientent vers une flavone ou un chalcone. La combinaison avec la RMN (leçon suivante) permet l'attribution structurale complète.