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Organic Chemistry II

Spectroscopie infrarouge

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Organic Chemistry II

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JoVE Science Education Organic Chemistry II

Infrared Spectroscopy

5.2: Nucleophilic Substitution

5.15: Polarimeter

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08:11 min

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April 30, 2023

Overview

Source : Vy M. Dong et Zhiwei Chen, Department of Chemistry, University of California, Irvine, CA

Cette expérience démontrera l’utilisation de la spectroscopie infrarouge (IR) (également connu sous le nom la spectroscopie vibrationnelle) afin d’élucider l’identité d’un composé inconnu en identifiant le cycle actuel. Spectres IR seront obtenus sur un spectromètre IR à l’aide de la réflexion totale atténuée technique d’échantillonnage (RTA) auprès d’un échantillon pur de l’inconnu.

Principles

Une liaison covalente entre deux atomes peut être considérée comme deux objets avec masses m₁ et m₂ qui sont reliés avec un ressort. Naturellement, cette obligation s’étend et compresse avec une certaine fréquence vibratoire. Cette fréquence est donnée par l’équation 1, où k est la constante de force du ressort, c est la vitesse de la lumière et µ est la masse réduite (équation 2). La fréquence est généralement mesurée en nombres d’ondes, qui sont exprimées en centimètres inverses (cm^-1).

De l’équation 1, la fréquence est proportionnelle à la force du ressort et inversement proportionnelle à la masse des objets. Ainsi, C-H, N-H et les liaisons O-H ont plus élevé qui s’étend de fréquences que C-C et les liaisons C-O, comme l’hydrogène est un atome de lumière. Doubles et triples liaisons peut être considérés comme des ressorts plus forts, donc une double liaison C-O a une fréquence plus élevée qui s’étend à une liaison simple de C-O. La lumière infrarouge est un rayonnement électromagnétique avec des longueurs d’onde allant de 700 nm et 1 mm, ce qui concorde avec les forces de liaison relatif. Quand une molécule absorbe la lumière infrarouge avec une fréquence égale à la fréquence de vibration naturelle d’une liaison covalente, l’énergie du rayonnement produit une augmentation de l’amplitude de la vibration de la liaison. Si l’électronégativité (tendance à attirer les électrons) des deux atomes dans une liaison covalente sont très différents, une séparation de charge se produit qui se traduit par un moment dipolaire. Par exemple, dans une double liaison C-O (un groupe carbonyle), les électrons passent plus de temps autour de l’atome d’oxygène que l’atome de carbone, l’oxygène étant plus électronégatif que le carbone. Par conséquent, il y a un moment dipolaire net, ce qui entraîne une charge partielle négative sur l’oxygène et une charge partielle positive sur le carbone. En revanche, un alcyne symétrique n’a pas un moment dipolaire net parce que les deux moments dipolaires individuels de chaque côté s’annulent mutuellement. L’intensité de l’absorption infrarouge est proportionnelle à la variation du moment dipolaire lorsque le cautionnement s’étend ou compresse. Par conséquent, un tronçon de groupement carbonyle montrera une bande intense dans l’IR et un alcyne interne symétrique montrera un petit, si pas invisible, bande d’élongation de la liaison triple C-C (Figure 1). Le tableau 1 montre certaines fréquences d’absorption caractéristique. La figure 2 montre le spectre infrarouge d’un ester de Hantzsch. Remarquez le pic à 3 343 cm^-1 pour la liaison simple N-H et un pic à 1 695 cm^-1 pour les groupes carbonyles. Dans cette expérience, la technique d’échantillonnage de RTA est utilisée, où la lumière infrarouge réfléchit l’échantillon qui est en contact avec un cristal de RTA plusieurs fois. En général, les matériaux avec un indice de réfraction élevé sont utilisés, comme le séléniure de zinc et de germanium. Cette méthode permet d’examiner directement les analytes solide ou liquide, sans plus de préparation.

Figure 1. Schéma montrant la C–O double et C–C triple liaison étendues et le changement de moment dipolaire résultant.

Le tableau 1. Fréquences de IR caractéristiques des liaisons covalentes présents dans les molécules organiques.

La figure 2. Spectre infrarouge d’un ester de Hantzsch.

Procedure

Allumez le spectromètre IR et laissez-le se réchauffer.
Obtenir un échantillon inconnu de l’instructeur et enregistrer la lettre et l’apparence de l’échantillon.
Recueillir un éventail de fond.
À l’aide d’une spatule métallique, placez une petite quantité d’échantillon en vertu de la sonde.
Tourner la sonde jusqu’à ce qu’il s’enclenche.
Enregistrer le spectre infrarouge de l’échantillon inconnu.
Spectre de répéter si nécessaire pour obtenir une bonne qualité.
Enregistrer les fréquences d’absorption indicatives des groupes fonctionnels présents.
Nettoyer la sonde avec de l’acétone.
Désactiver le spectromètre.
Analyser le spectre obtenu. La figure 3 montre les candidats possibles pour l’échantillon inconnu. Indiquer l’identification probable de l’échantillon inconnu.

La figure 3. Diagramme illustrant l’identité possible de l’inconnu.

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

Avec certains types de liaisons covalentes des molécules peuvent absorber le rayonnement IR, causant les liaisons à vibrer. Un spectrophotomètre IR peut mesurer quelles fréquences sont absorbés. Il est généralement représenté avec un spectre de pour cent de rayonnement IR transmis par le biais de l’échantillon à une fréquence donnée en nombres d’ondes. Dans ce type de spectre, les pics sont inversés, car ils représentent une diminution de lumière transmise à cette fréquence.

Les fréquences absorbées dépendant de l’identité et l’environnement électronique des obligations, ce qui donne à chaque molécule un spectre caractéristique. Toutefois, chaque type de liaison va absorber le rayonnement infrarouge dans une plage de fréquence spécifique et aura une résistance de forme et d’absorption pic commune. Pics peuvent donc être attribués à des obligations spécifiques, permettant d’identifier un composé inconnu du spectre IR.

Cette vidéo illustre 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 les deux corps de masses m1 et m2. Ce « printemps » a une fréquence de résonance, c’est-à-dire, dans ce cas, la fréquence de la lumière correspondant au quantum d’énergie nécessaire pour exciter une oscillation dans le cautionnement à cette même fréquence, mais avec une plus grande amplitude.

La fréquence de résonance d’une obligation dépend de l’adhérence et de longueur, de l’identité des atomes impliqués et de l’environnement. Par exemple, une liaison conjuguée vibre dans une gamme de fréquence différente qu’une liaison non conjuguées.

La fréquence de résonance dépend aussi le mode vibration, qui est le patron de l’oscillation des atomes dans une molécule. Les modes vibrationnels plus courants observés par spectroscopie IR sont l’étirement et de flexion. Molécules linéaires ont 3N moins 5 modes de vibration, où N est le nombre d’atomes et molécules non linéaires ont 3N moins 6 modes de vibration.

Spectrophotométrie IR est principalement effectué par lumineux d’une source lumineuse à large spectre grâce à un interféromètre, qui bloque tout mais quelques longueurs d’onde de la lumière à tout moment, sur l’échantillon. Un détecteur IR mesure l’intensité lumineuse pour chaque paramètre de l’interféromètre. Une fois que les données ont été collectées au fil de la gamme de fréquence désirée, il est transformé 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, gaz et liquides sont placés dans une cellule avec fenêtres transparentes-IR, et solides sont en suspension dans l’huile ou pressés dans une pastille transparente avec le bromure de potassium. La lumière infrarouge est ensuite dirigée à travers l’échantillon au détecteur.

Une autre méthode pour échantillons solides et liquides est atténuée de réflexion totale ou ATR. Dans cette méthode, l’échantillon pur est placé en contact avec une surface de cristal. La lumière infrarouge est ensuite réfléchie par le dessous du cristal dans un détecteur, avec les fréquences absorbées reflétant plus faiblement. L’échantillon ne doit pas être traitée en premier, car la lumière ne se déplace pas à travers elle.

Maintenant que vous comprenez les principes de la spectroscopie IR, Let ‘ s go grâce à une procédure pour identifier un inconnu organique composé à l’aide de la technique d’échantillonnage de RTA sur un instrument FTIR.

Pour commencer la procédure de caractérisation, allumez le spectromètre FTIR et laisser réchauffer à température de fonctionnement de la lampe.

Veiller à ce que le cristal de RTA est propre. Puis, avec aucun échantillon en place, utiliser le logiciel de spectromètre pour enregistrer un spectre de fond.

Ensuite, obtenir un échantillon solide d’un composé organique inconnu et noter son aspect. À l’aide d’une spatule métallique propre, placer soigneusement l’échantillon sur la surface du cristal. Sinon, pour les échantillons liquides, une pipette est utilisée pour transférer les échantillons à surface du cristal.

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

Ensuite, recueillir au moins un spectre infrarouge de l’échantillon inconnu. Après la collecte de données est terminée et l’arrière-plan a été soustraite, utilisez les outils d’analyse dans le logiciel afin d’identifier les nombres d’onde des pics.

Lorsque vous avez terminé avec le spectromètre, retirer l’échantillon et nettoyer la sonde avec de l’acétone. Enregistrer les spectres, fermez le logiciel et éteindre le spectromètre.

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

Le spectre du composé inconnu montre un pic large près de la région de nombre d’onde 3 300, indicative d’une -OH ou -NH qui s’étend de l’absorption. Les pics à droite indiquent la présence de doubles liaisons carbone-carbone et liaisons oxygène carbone. Les deux autres composés, seul a un groupement -OH donc le composé est le phénol.

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

Dans cette procédure, spectroscopie FTIR exécutée avec la méthode de l’ATR a été utilisée pour obtenir des images d’absorption IR des tissus en introduisant une composante de microscopie dans l’instrument. Chaque pixel de l’image a un spectre IR correspondant, permettant la détermination de la composition moléculaire du tissu avec une excellente résolution spatiale.

L’image du tissu pourrait aussi être apposée à des fréquences différentes pour visualiser la distribution des types de la molécule dans le tissu.

Les vibrations moléculaires des groupes peptidiques dans une protéine sont affectées par les changements de conformation de protéines. En analysant un échantillon de protéine avec étape-analyse FTIR, qui a une résolution temporelle de l’ordre de dizaines de nanosecondes, dynamique des protéines peut être écoutée via les changements dans leurs spectres d’absorbance. Les données peuvent être présentées comme des spectres individuels ou des parcelles 3D d’intensité, fréquence et temps pour identification des pics et analyse approfondie.

Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à la spectroscopie IR. Vous devez maintenant être familiarisé avec les principes sous-jacents de la spectroscopie IR, la procédure pour la spectroscopie IR des composés organiques et quelques exemples d’utilisation de la spectroscopie IR en chimie organique. Merci de regarder !

Results

Tableau 2 : apparence et fréquences observées pour IR des composés énumérés dans La figure 3.

Numéro composé	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Apparence	liquide clair	solide blanc	liquide clair	liquide clair	liquide clair	liquide clair	liquide jaune	solide blanc	solide blanc	liquide clair
Fréquences observées (cm^-1)	1691, 1601, 1450, 1368, 1266	2773, 2730, 1713, 1591, 1576	2940, 2867, 1717, 1422, 1347	3026, 2948, 2920, 1605, 1496	2928, 2853, 1450, 904, 852	3926, 3315, 2959, 2120, 1461	3623, 3429, 3354, 2904, 1601	3408, 3384, 3087, 1596, 1496	3226, 2966, 1598, 1474, 1238	3340, 2959, 2861, 1468, 1460

Applications and Summary

Dans cette expérience, nous avons démontré comment identifier un échantillon inconnu basé sur son spectre IR caractéristique. Différents groupes fonctionnels donnent différentes fréquences d’élongation, qui permet l’identification des groupes fonctionnels présents.

Comme indiqué dans cette expérience, spectroscopie infrarouge est un outil utile pour le chimiste organicien identifier et caractériser une molécule. En plus de la chimie organique, spectroscopie IR a des applications utiles dans d’autres domaines. Dans l’industrie pharmaceutique, cette technique est utilisée pour l’analyse quantitative et qualitative de la drogue. En sciences de l’alimentation, spectroscopie infrarouge est utilisée pour étudier les huiles et les graisses. Enfin, la spectroscopie infrarouge est utilisée pour mesurer la composition des gaz à effet de serre, c’est-à-dire, CO₂, CO, CH₄et N₂O dans les efforts pour comprendre les changements climatiques.

Transcript

Infrared, or IR, spectroscopy is a technique used to characterize covalent bonds.

Molecules with certain types of covalent bonds can absorb IR radiation, causing the bonds to vibrate. An IR spectrophotometer can measure which frequencies are absorbed. This is generally represented with a spectrum of percent IR radiation transmitted through the sample at a given frequency in wavenumbers. In this type of spectrum, the peaks are inverted, as they represent a decrease in transmitted light at that frequency.

The absorbed frequencies depend on the identity and electronic environment of the bonds, giving each molecule a characteristic spectrum. However, each type of bond will absorb IR radiation within a specific frequency range, and will have a common peak shape and absorption strength. Peaks can therefore be assigned to specific bonds, allowing identification of an unknown compound from the IR spectrum.

This video will illustrate the characterization of an unknown organic compound with IR spectroscopy and will introduce a few other applications of IR spectroscopy in organic chemistry.

A covalent bond between two atoms can be modeled as a spring connecting two bodies with masses m1 and m2. This “spring” has a resonance frequency, which, in this case, is the frequency of light corresponding to the quantum of energy needed to excite an oscillation in the bond at that same frequency, but with even greater amplitude.

The resonance frequency of a bond depends on the bond strength and length, the identity of the involved atoms, and the environment. For instance, a conjugated bond will vibrate in a different frequency range than a non-conjugated bond.

The resonance frequency also depends on the vibrational mode, which is the oscillation pattern of the atoms within a molecule. The most common vibrational modes observed by IR spectroscopy are stretching and bending. Linear molecules have 3N minus 5 vibrational modes, where N is the number of atoms, and non-linear molecules have 3N minus 6 vibrational modes.

IR spectrophotometry is primarily performed by shining a broad-spectrum light source through an interferometer, which blocks all but a few wavelengths of light at any given time, onto the sample. An IR detector measures the light intensities for each interferometer setting. Once data has been collected over the desired frequency range, it is processed into a recognizable spectrum by Fourier transform.

The sample can be gaseous, liquid, or solid, depending on the construction of the instrument. For a standard detector, gases and liquids are placed in a cell with IR-transparent windows, and solids are suspended in oil or pressed into a transparent pellet with potassium bromide. The IR light is then directed through the sample to the detector.

An alternate method for solid and liquid samples is attenuated total reflectance, or ATR. In this method, the pure sample is placed in contact with a crystal surface. IR light is then reflected off the underside of the crystal into a detector, with the absorbed frequencies reflecting more weakly. The sample doesn’t need to be processed first, as the light does not travel through it.

Now that you understand the principles of IR spectroscopy, let’s go through a procedure for identifying an unknown organic compound using the ATR sampling technique on an FTIR instrument.

To begin the characterization procedure, turn on the FTIR spectrometer and allow the lamp to warm up to operating temperature.

Ensure that the ATR crystal is clean. Then, with no sample in place, use the spectrometer software to record a background spectrum.

Next, obtain a solid sample of an unknown organic compound and note its appearance. Using a clean metal spatula, carefully place the sample on the crystal surface. Alternatively, for liquid samples, a pipette is used to transfer samples to crystal surface.

Carefully screw down the probe until it locks into place to fix the sample against the crystal surface.

Then, collect at least one IR spectrum of the unknown sample. After data collection has finished and the background has been subtracted, use the analysis tools in the software to identify the wavenumbers of the peaks.

When finished with the spectrometer, remove the sample and clean the probe with acetone. Save the spectra, close the software, and turn off the spectrometer.

In this experiment, the unknown sample may be one of ten organic compounds, each with five characteristic IR peaks. Based on the phase and visual appearance of the unknown, 8 of the possibilities may be eliminated.

The spectrum from the unknown compound shows a wide peak near the 3,300 wavenumber region, indicative of either an -OH or -NH stretching absorption. The peaks to right indicate the presence of carbon-carbon double bonds and carbon oxygen bonds. Of the two remaining compounds, only one has an -OH group so the compound is phenol.

IR spectrophotometry is a widely used characterization tool in biology and chemistry. Let’s look at a few examples.

In this procedure, FTIR spectroscopy performed with the ATR method was used to obtain IR absorbance images of tissue by introducing a microscopy component into the instrument. Each pixel in the image had a corresponding IR spectrum, allowing determination of the molecular composition of the tissue with excellent spatial resolution. The tissue image could also be displayed at different frequencies to visualize the distribution of molecule types throughout the tissue.

The molecular vibrations of peptide groups in a protein are affected by protein conformational changes. By monitoring a protein sample with step-scan FTIR, which has a temporal resolution on the order of tens of nanoseconds, protein dynamics can be monitored via the changes in their absorbance spectra. The data can be presented as individual spectra or as 3D plots of intensity, frequency, and time for peak identification and further analysis.

You’ve just watched JoVE’s introduction to IR spectroscopy. You should now be familiar with the underlying principles of IR spectroscopy, the procedure for IR spectroscopy of organic compounds, and a few examples of how IR spectroscopy is used in organic chemistry. Thanks for watching!

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