Spectroscopie infrarouge

Organic Chemistry II

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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.

Cite this Video

JoVE Science Education Database. Chimie organique II. Spectroscopie infrarouge. JoVE, Cambridge, MA, (2018).

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 Image 1 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).

Equation 1

Equation 2

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

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

Table 1

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

Figure 2

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

Procedure

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

Figure 3
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.

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

Figure 3
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 !

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