Spectroscopie infrarouge

La spectroscopie infrarouge, ou IR, est une technique utilisée pour caractériser les liaisons covalentes.

Les molécules avec certains types de liaisons covalentes peuvent absorber le rayonnement IR, ce qui fait vibrer les liaisons. Un spectrophotomètre IR peut mesurer les fréquences absorbées. Ceci est généralement représenté par un spectre de pourcentage de rayonnement IR transmis à travers l’échantillon à une fréquence donnée en nombres d’onde. Dans ce type de spectre, les pics sont inversés, car ils représentent une diminution de la lumière transmise à cette fréquence.

Les fréquences absorbées dépendent de l’identité et de l’environnement électronique des liaisons, donnant à chaque molécule un spectre caractéristique. Cependant, chaque type de liaison absorbera le rayonnement IR dans une gamme de fréquences spécifique et aura une forme de pic et une force d’absorption communes. Des pics peuvent donc être attribués à des liaisons spécifiques, permettant l’identification d’un composé inconnu du spectre IR.

Cette vidéo illustrera la caractérisation d’un composé organique inconnu avec la spectroscopie IR et présentera quelques autres applications de la spectroscopie IR en chimie organique.

Une liaison covalente entre deux atomes peut être modélisée comme un ressort reliant deux corps de masses m1 et m2. Ce « ressort » a une fréquence de résonance, qui, dans ce cas, est la fréquence de la lumière correspondant au quantum d’énergie nécessaire pour exciter une oscillation de la liaison à cette même fréquence, mais avec une amplitude encore plus grande.

La fréquence de résonance d’une liaison dépend de la force et de la longueur de la liaison, de l’identité des atomes impliqués et de l’environnement. Par exemple, une liaison conjuguée vibrera dans une gamme de fréquences différente de celle d’une liaison non conjuguée.

La fréquence de résonance dépend également du mode vibratoire, qui est le modèle d’oscillation des atomes à l’intérieur d’une molécule. Les modes vibratoires les plus courants observés par spectroscopie IR sont l’étirement et la flexion. Les molécules linéaires ont 3N moins 5 modes vibratoires, où N est le nombre d’atomes, et les molécules non linéaires ont 3N moins 6 modes vibratoires.

La spectrophotométrie IR est principalement réalisée en faisant briller une source lumineuse à large spectre à travers un interféromètre, qui bloque toutes les longueurs d’onde de la lumière, à un moment donné, sur l’échantillon. Un détecteur IR mesure les intensités lumineuses pour chaque réglage d’interféromètre. Une fois que les données ont été collectées sur la gamme de fréquences souhaitée, elles sont transformées en un spectre reconnaissable par transformée de Fourier.

L’échantillon peut être gazeux, liquide ou solide, selon la construction de l’instrument. Pour un détecteur standard, les gaz et les liquides sont placés dans une cellule avec des fenêtres transparentes IR, et les solides sont en suspension dans l’huile ou pressés dans une pastille transparente avec du bromure de potassium. La lumière IR est ensuite dirigée à travers l’échantillon vers le détecteur.

Une autre méthode pour les échantillons solides et liquides est la réflectance totale atténuée, ou ATR. Dans cette méthode, l’échantillon pur est mis en contact avec une surface cristalline. La lumière IR est ensuite réfléchie par la face inférieure du cristal dans un détecteur, les fréquences absorbées se réfléchissant plus faiblement. Il n’est pas nécessaire de traiter l’échantillon en premier, car la lumière ne le traverse pas.

Maintenant que vous comprenez les principes de la spectroscopie IR, passons en revue une procédure d’identification d’un composé organique inconnu à l’aide de la technique d’échantillonnage ATR sur un instrument FTIR.

Pour commencer la procédure de caractérisation, allumez le spectromètre FTIR et laissez la lampe se réchauffer jusqu’à la température de fonctionnement.

Assurez-vous que le cristal ATR est propre. Ensuite, sans échantillon en place, utilisez le logiciel du spectromètre pour enregistrer un spectre de fond.

Ensuite, prélevez un échantillon solide d’un composé organique inconnu et notez son apparence. À l’aide d’une spatule en métal propre, placez soigneusement l’échantillon sur la surface du cristal. Alternativement, pour les échantillons liquides, une pipette est utilisée pour transférer les échantillons à la surface du cristal.

Vissez soigneusement la sonde jusqu’à ce qu’elle se verrouille en place pour fixer l’échantillon contre la surface du cristal.

Ensuite, collectez au moins un spectre IR de l’échantillon inconnu. Une fois la collecte de données terminée et l’arrière-plan soustrait, utilisez les outils d’analyse du logiciel pour identifier les numéros d’onde des pics.

Lorsque vous avez terminé avec le spectromètre, retirez l’échantillon et nettoyez la sonde avec de l’acétone. Enregistrez les spectres, fermez le logiciel et éteignez le spectromètre.

Dans cette expérience, l’échantillon inconnu peut être l’un des dix composés organiques, chacun avec cinq pics IR caractéristiques. En fonction de la phase et de l’apparence visuelle de l’inconnu, 8 des possibilités peuvent être éliminées.

Le spectre du composé inconnu montre un large pic près de la région du nombre d’onde 3 300, indiquant une absorption d’étirement -OH ou -NH. Les pics à droite indiquent la présence de doubles liaisons carbone-carbone et de liaisons carbone-oxygène. Des deux composés restants, un seul a un groupe -OH, de sorte que le composé est le phénol.

La spectrophotométrie IR est un outil de caractérisation largement utilisé en biologie et en chimie. Regardons quelques exemples.

Dans cette procédure, la spectroscopie FTIR réalisée avec la méthode ATR a été utilisée pour obtenir des images d’absorbance IR des tissus en introduisant un composant de microscopie dans l’instrument. Chaque pixel de l’image avait un spectre IR correspondant, permettant de déterminer la composition moléculaire du tissu avec une excellente résolution spatiale. L’image du tissu pourrait également être affichée à différentes fréquences pour visualiser la distribution des types de molécules dans le tissu.

Les vibrations moléculaires des groupes peptidiques d’une protéine sont affectées par les changements de conformation des protéines. En surveillant un échantillon de protéines à l’aide d’un FTIR à balayage pas à pas, qui a une résolution temporelle de l’ordre de quelques dizaines de nanosecondes, la dynamique des protéines peut être surveillée via les modifications de leurs spectres d’absorbance. Les données peuvent être présentées sous forme de spectres individuels ou de tracés 3D de l’intensité, de la fréquence et du temps pour l’identification des pics et une analyse plus approfondie.

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la spectroscopie IR. Vous devriez maintenant être familiarisé avec les principes sous-jacents de la spectroscopie IR, la procédure de spectroscopie IR des composés organiques et quelques exemples de la façon dont la spectroscopie IR est utilisée en chimie organique. Merci d’avoir regardé !