Spectre infrarouge et groupes caractéristiques
Un laboratoire de contrôle doit vérifier le contenu d'un flacon non étiqueté : éthanol, propanone ou acide éthanoïque ? Sans rien ajouter dans le flacon, un simple faisceau infrarouge suffit pour trancher. Comment un spectre permet-il de « voir » les groupes caractéristiques d'une molécule ?
Lire un spectre infrarouge
Les liaisons d'une molécule vibrent (elles s'allongent, se raccourcissent, se plient). Quand la radiation infrarouge a la bonne énergie, la liaison l'absorbe : la lumière qui traverse l'échantillon est alors moins intense.
On mesure la transmittance $T$ (la part de lumière transmise, en %) pour chaque radiation. Les radiations sont repérées par leur nombre d'onde :
$$\sigma = \frac{1}{\lambda}$$avec $\sigma$ en $\text{cm}^{-1}$ et $\lambda$ en cm.
Par convention, l'axe des nombres d'onde est orienté vers la gauche (les grandes valeurs à gauche) : le dessin ci-dessus respecte cet usage.
En spectroscopie IR, on représente la transmittance en fonction du nombre d'onde $\sigma = 1/\lambda$ en $\text{cm}^{-1}$. a) Calculer le nombre d'onde d'une radiation…
En spectroscopie IR, on représente la transmittance en fonction du nombre d'onde $\sigma = 1/\lambda$ en $\text{cm}^{-1}$.
- a) Calculer le nombre d'onde d'une radiation de longueur d'onde $\lambda = 5,9\ \mu\text{m}$.
- b) Une bande d'absorption se traduit-elle par un maximum ou un minimum de transmittance ? Justifier.
Associer une bande à une liaison
Chaque type de liaison absorbe dans un domaine de nombres d'onde qui lui est propre. Le sujet fournit toujours une table de valeurs de référence : il ne faut pas l'apprendre par cœur, mais savoir l'utiliser.
| Liaison | $\sigma$ ($\text{cm}^{-1}$) | Aspect de la bande |
|---|---|---|
| O–H alcool | 3 200 – 3 700 | forte, large |
| O–H acide carboxylique | 2 500 – 3 200 | forte, très large |
| C–H | 2 800 – 3 000 | forte |
| C=O | 1 650 – 1 740 | forte, fine |
| C=C | 1 625 – 1 685 | moyenne, fine |
Trois indices servent à identifier une bande : sa position, son intensité et sa largeur. La largeur est essentielle : les liaisons O–H s'associent entre elles par des ponts hydrogène en phase liquide, avec des énergies un peu différentes d'une molécule à l'autre. Les absorptions s'étalent, d'où une bande large.
Données : liaison O–H alcool : $3200$–$3700\ \text{cm}^{-1}$ (large) ; O–H acide carboxylique : $2500$–$3200\ \text{cm}^{-1}$ (très large) ; C=O : $1650$–…
Données : liaison O–H alcool : $3200$–$3700\ \text{cm}^{-1}$ (large) ; O–H acide carboxylique : $2500$–$3200\ \text{cm}^{-1}$ (très large) ; C=O : $1650$–$1740\ \text{cm}^{-1}$ ; C–H : $2800$–$3000\ \text{cm}^{-1}$.
Associer chaque bande à une liaison : $1715\ \text{cm}^{-1}$ (fine et intense) ; $3350\ \text{cm}^{-1}$ (large) ; $2950\ \text{cm}^{-1}$.
Identifier un groupe caractéristique
Les bandes présentes et absentes renseignent sur la famille du composé.
| Famille | Groupe | Bandes attendues |
|---|---|---|
| Alcool | –OH | O–H large (3 200–3 700) |
| Aldéhyde, cétone | C=O | C=O fine et intense, pas de O–H |
| Acide carboxylique | –COOH | C=O fine et O–H très large (2 500–3 200) |
Le spectre IR d'un composé de formule $\mathrm{C_3H_6O}$ présente une bande intense à $1720\ \text{cm}^{-1}$ et aucune bande entre $3200$ et $3700\ \text{cm}^{-1}$. a)…
Le spectre IR d'un composé de formule $\mathrm{C_3H_6O}$ présente une bande intense à $1720\ \text{cm}^{-1}$ et aucune bande entre $3200$ et $3700\ \text{cm}^{-1}$.
- a) Quel groupe caractéristique est présent ?
- b) Pourquoi peut-on exclure un alcool ?
Un flacon contient soit du propan-1-ol, soit de la propanone. Le spectre IR enregistré montre une bande large vers $3340\ \text{cm}^{-1}$ et une bande vers…
Un flacon contient soit du propan-1-ol, soit de la propanone. Le spectre IR enregistré montre une bande large vers $3340\ \text{cm}^{-1}$ et une bande vers $2960\ \text{cm}^{-1}$, sans bande entre $1650$ et $1740\ \text{cm}^{-1}$.
- a) Écrire les formules semi-développées des deux composés.
- b) Identifier le contenu du flacon en justifiant.
Pour l'éthanoate d'éthyle $\mathrm{CH_3COOC_2H_5}$, on observe une bande à $1740\ \text{cm}^{-1}$ mais pas de bande large entre $2500$ et $3600\ \text{cm}^{-1}$. a)…
Pour l'éthanoate d'éthyle $\mathrm{CH_3COOC_2H_5}$, on observe une bande à $1740\ \text{cm}^{-1}$ mais pas de bande large entre $2500$ et $3600\ \text{cm}^{-1}$.
- a) Représenter la formule semi-développée et entourer le groupe caractéristique.
- b) Expliquer pourquoi le spectre IR permet de vérifier l'absence d'acide éthanoïque et d'éthanol après une synthèse.
Suivre une transformation par spectroscopie IR
Comme un spectre signale la présence ou l'absence de groupes, il permet de suivre une transformation : on compare le spectre du réactif à celui du produit.
On oxyde l'éthanol. Le spectre IR du produit isolé présente une bande large de $2500$ à $3200\ \text{cm}^{-1}$ et une bande fine à $1710\ \text{cm}^{-1}$. a) Identifier…
On oxyde l'éthanol. Le spectre IR du produit isolé présente une bande large de $2500$ à $3200\ \text{cm}^{-1}$ et une bande fine à $1710\ \text{cm}^{-1}$.
- a) Identifier le produit formé et écrire sa formule.
- b) Indiquer comment évolue le spectre IR au cours d'une oxydation complète de l'éthanol en ce produit.
Un composé organique de formule brute $\mathrm{C_4H_8O_2}$ a un spectre IR avec une bande très large de $2500$ à $3200\ \text{cm}^{-1}$ et une bande intense à…
Un composé organique de formule brute $\mathrm{C_4H_8O_2}$ a un spectre IR avec une bande très large de $2500$ à $3200\ \text{cm}^{-1}$ et une bande intense à $1705\ \text{cm}^{-1}$.
- a) Déterminer le groupe caractéristique présent.
- b) Proposer deux formules semi-développées possibles et les nommer.
- c) Expliquer pourquoi le spectre IR ne permet pas de les départager et proposer une autre information utile.
Deux isomères de formule $\mathrm{C_3H_6O}$ sont : la propanone et le prop-2-én-1-ol. Les bandes observées pour l'échantillon A : $1715\ \text{cm}^{-1}$ ; pour…
Deux isomères de formule $\mathrm{C_3H_6O}$ sont : la propanone et le prop-2-én-1-ol. Les bandes observées pour l'échantillon A : $1715\ \text{cm}^{-1}$ ; pour l'échantillon B : $3350\ \text{cm}^{-1}$ (large) et $1645\ \text{cm}^{-1}$ (fine, C=C).
- a) Écrire la formule de chaque isomère.
- b) Attribuer chaque spectre à son composé en justifiant.
- c) Expliquer pourquoi la liaison O–H d'un alcool en phase liquide donne une bande large.
On suit par IR l'oxydation du butan-2-ol par une solution acidifiée de dichromate de potassium. Les spectres de prélèvements à $t = 0$, $t_1$, $t_2$ montrent que…
On suit par IR l'oxydation du butan-2-ol par une solution acidifiée de dichromate de potassium. Les spectres de prélèvements à $t = 0$, $t_1$, $t_2$ montrent que l'absorbance de la bande à $3350\ \text{cm}^{-1}$ diminue tandis que celle de la bande à $1715\ \text{cm}^{-1}$ augmente.
- a) Écrire la formule du produit formé et le nommer.
- b) Interpréter les évolutions des deux bandes.
- c) Expliquer pourquoi, contrairement à l'oxydation du butan-1-ol, on n'observe pas de bande très large de $2500$ à $3200\ \text{cm}^{-1}$.
L'essentiel
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Un spectre IR représente la transmittance en fonction du nombre d'onde $\sigma = 1/\lambda$ (en $\text{cm}^{-1}$) ; une absorption est un minimum de transmittance.
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Chaque liaison absorbe dans un domaine précis : O–H alcool (3 200–3 700, large), O–H acide (2 500–3 200, très large), C–H (2 800–3 000), C=O (1 650–1 740, fine).
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On identifie la famille avec les bandes présentes et absentes : C=O sans O–H → aldéhyde ou cétone ; C=O + O–H très large → acide carboxylique ; O–H large sans C=O → alcool.
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Le spectre IR permet de suivre une transformation (disparition d'une bande, apparition d'une autre), mais ne distingue pas des isomères ayant les mêmes groupes.
Vers le début : le flacon de l'introduction se reconnaît donc à ses bandes : O–H large pour l'éthanol, C=O seul pour la propanone, C=O et O–H très large pour l'acide éthanoïque.