SPECTROSCOPIE D’ABSORPTION DANS L’UV-VISIBLE

SPECTROSCOPIE

D’ABSORPTION DANS L’UV-VISIBLE

CHAPITRE III

I - DOMAINE UV-VISIBLE

Domaine UV-visible ≈ 800 - 10 nm

 visible : 800 nm (rouge) - 400 nm (indigo)visible : 800 nm (rouge) - 400 nm (indigo)

 proche-UV : 400 nm - 200 nm proche-UV : 400 nm - 200 nm

 UV-lointain : 200 nm - 10 nmUV-lointain : 200 nm - 10 nm

II - PRINCIPE ET REGLES DE SELECTION

 Transition UV-visible (souvent 180 à 750 nm) :

saut d’un électron d’une orbitale

moléculaire fondamentale occupée à une orbitale moléculaire excitée vacante.

La matière absorbe alors un photon dont l'énergie correspond à la différence d'énergie entre ces niveaux

fondamental et excité.

 Transitions dans UV-visibles  énergies les plus importantes de la chimie (13000 à 50000 cm^-1 soit 160 à 665 kJ.mol^-1)

Ces énergies

Ces énergies   Ordre de grandeur des énergies de Ordre de grandeur des énergies de liaison des molécules

liaison des molécules



parfois parfois

ruptures de ruptures de

liaisons liaisons

Plus généralement Plus généralement

transitions électroniques transitions électroniques

entre di érentsff entre di érentsff

niveaux d’énergie des niveaux d’énergie des

molécules molécules



 Absorption d’un photon = différence d'énergie entre ces niveaux fondamental et excité

Mais

Transition électronique Transition électronique



changement de population entre une orbitale changement de population entre une orbitale

moléculaire fondamentale occupée et une moléculaire fondamentale occupée et une

orbitale moléculaire excitée vacante orbitale moléculaire excitée vacante

 Règles de sélection 

transition permise (active) interdite (inactive) Transitions permises 

 variation du moment dipolaire électrique  orbitales impliquées telles que l = ±1 et S = 0

En d'autres termes, le photon fait changer la symétrie de l'orbitale occupée par

l'électron avant et après la transition mais ne fait pas changer le spin de cet électron

Les transitions énergétiquement possibles ne sont pas toutes

permises

transitions permises :

variation du moment dipolaire

électrique

III - ABSORPTION DE LA LUMIERE &

LOI DE BEER-LAMBERT - SPECTRE D’ABSORPTION

 lumière

monochromatique

 solution

absorbante de concentration C

 cuve d’épaisseur l

Une partie de ce Une partie de ce

rayonnement absorbée par rayonnement absorbée par

l’échantillon et

l’échantillon et une partie une partie transmise

transmise

Relations entre I₀ et I d’après Bouguer, Lambert et Beer

Intensité d'une lumière monochromatique traversant un milieu où elle est absorbée

décroît de façon exponentielle :

I = I₀e^-klC

* I₀ intensité de la lumière incidente * I intensité transmise

* l épaisseur de la cuve (cm)

* C concentration des espèces absorbantes * k constante caractéristique de l’échantillon

I = I

e

 log(I₀/I) = A : absorbance

 I/I₀ = T : transmission

 % T : transmittance

  : coefficient d'extinction molaire

caractéristique de la substance à une λ donnée

Si C est la molarité,  en L.mol^-1.cm^-1

 

loi de Beer-Lambert : A = - log T =

loi de Beer-Lambert : A = - log T =   l C l C

Validité de la loi de Beer-Lambert

 s'applique pour des radiations monochromatiques  s’applique pour des solutions suffisamment diluées

pour ne pas modifier les propriétés des molécules (association, complexation …)

SPECTRE D’ABSORPTION

• Spectre UV-visible : tracé de l’absorbance en fonction de la longueur d’onde

(usuellement exprimée en nm)

• Bande caractérisée par position λmax , son intensité reliée au coefficient d’extinction molaire εmax

A = ε l C ; valeur de ε indique si transition permise ou interdite

VI - LES DIFFERENTS TYPES DE TRANSITIONS ELECTRONIQUES

• Transitions électroniques : passage des

électrons des orbitales moléculaires liantes ou non liantes remplies, vers des orbitales moléculaires antiliantes non remplies

Absorption d’un photon dans UV-visible



électrons appartenant à de petits groupes d’atomes

 d’absorption de ces chromophores dépend de la nature des orbitales

mises en jeu

chromophores :

C=C, C=O, C=N, CC, CN…

VI.1 - Transition σ  σ*

 Grande stabilité des liaisons σ 

Transition d'un électron d'une OM liante σ vers une OM antiliante σ* : grande énergie

Cas des hydrocarbures

Bande d’absorption σ  σ*

 intense

 UV-lointain, vers 130 nm

VI.2 - Transition n  π*

 Passage d'un électron

d'une OM non-liante n à une OM antiliante π*

La bande correspondante est faible car la transition est interdite.

Ex : carbonyle, située entre 270 et 280 nm,

 faible

Cas des molécules avec hétéroatome appartenant à un système insaturé

VI.3 - Transition n  σ*

 Transfert d'un électron du doublet n d’un hétéroatome (O, N, S, Cl..) à un niveau σ*

Cas des alcools, éthers, amines, dérivés halogénés

Bande d'intensité moyenne Extrême limite du proche-UV

VI.4 - Transition π  π*

Composés possédant une double liaison isolée

bande forte

vers 165 - 200 nm

EXEMPLES :

Effet du champ cristallin



Complexes des métaux de transition colorés Ex : solution aqueuse du complexe

Cu(H2O)6]²⁺ bleue

 absorption dans le visible

 Transition d'un électron d'une orbitale d peuplée à une orbitale d vide

 souvent très faibles,

de 1 à 100 L.mol

.cm

Ex. un électron passe du niveau t_2g au niveau e_g pour une géométrie octaédrique

transition d–d

Si une seule transition, couleur du complexe : couleur complémentaire de la couleur absorbée pendant la transition

V - EFFET DE L’ENVIRONNEMENT SUR LES TRANSITIONS

V.1 - Terminologie

Groupement auxochrome :

 modifie longueur d'onde et intensité de l'absorption

groupement saturé lié à un chromophore

Ex. : OH, NH

, Cl…

 Effet bathochrome

déplacement des

bandes d'absorption vers les grandes

longueurs d'onde

 Effet hypochrome

diminution de l'intensité d'absorption

 Effet hyperchrome

augmentation de

l'intensité d'absorption

 Effet hypsochrome

déplacement des bandes d'absorption vers les

courtes longueurs d'onde

V.2 - Effet de la substitution

 Position de la bande d’absorption dépend de la présence ou non de substituants sur le groupement chromophore

OH, -OR, -X, -NH2, … portés par un chromophore C=C ou C=O :

effets bathochrome et hyperchrome

Exemples :Exemples :

Substituants à effet inductif

Substituants à effet mésomère (auxochromes)

V.3 - Effet de la conjugaison

 Enchaînement d’insaturations  délocalisation des électrons π

 facilité de mouvement des électrons

 un rapprochement des niveaux d’énergiesun rapprochement des niveaux d’énergies

Effet bathochrome + effet hyperchrome

Conjugaison

sur la bande π  π*

Même effet observé sur la transition n  π*

 Remarque :

Déplacement bathochrome : origine de la

couleur de nombreux composés naturels avec chromophores conjugués étendus

Couleur orangée du β-carotène

onze doubles liaisons conjuguées : λ_max = 497 et 466 nm (chloroforme)

V.3.2 - Composés benzéniques

 Absorptions des aromatiques beaucoup plus complexes que celle des éthyléniques

 Plusieurs transitions π->π*

Benzène : trois bandes d’absorption dues à des Benzène : trois bandes d’absorption dues à des

transitions π

transitions ππ*π*

 λλ_maxmax = 184 nm = 184 nm, , ε = 60000 L.molε = 60000 L.mol^-1-1.cm.cm^-1-1  λλ_maxmax = 203 nm = 203 nm, , ε = 7900 L.molε = 7900 L.mol^-1-1.cm.cm^-1-1  λλ_maxmax = 256 nm = 256 nm, ε = 200, ε = 200 L.mol^-1.cm^-1

Aromatiques polynucléaires

Plus le nombre de cycles condensés augmente, plus  augmente jusqu’au visible

V.4 - Effet de solvant

 Position, intensité et forme des

bandes d’absorption des composés en solution fonction du solvant

 Ces changements  interactions physiques soluté-solvant 

différence d’énergie entre état fondamental et état excité

Cas de la transition n  * : groupement carbonyle Liaison

Liaison ^δ+δ+C=OC=O^δ-δ-

stabilisée par un solvant stabilisée par un solvant

polaire

polaire  Plus d’énergie Plus d’énergie pour provoquer la

pour provoquer la

transition transition

λ diminue par λ diminue par

augmentation de la augmentation de la

polarité du solvant polarité du solvant

En résumé

Le déplacement des bandes d'absorption par effet de la polarité des solvants

permet reconnaître la nature électronique des transitions observées.

Par augmentation de la polarité du solvant :

Transition n  π* : effet hypsochrome Transition π  π * : effet bathochrome

Dans l'eau

spectres sensibles au pH qui modifie l'ionisation de certaines fonctions

chimiques

VIII - PRINCIPAUX CHROMOPHORES

 Le spectre UV-visible ne permet pas l’identification d’un produit

 Le spectre UV-visible permet l’identification du groupement chromophore qu’il contient

VIII.1. - Chromophore éthylénique VIII.1.1 - Chromophore isolé

Ethylène : chromophore C=C Transition π -> π* :

_max = 165 nm

 = 15000 L.mol^-1.cm^-1

VIII.1.2 - Diènes et polyènes

Effet bathohyperchrome très remarquable par rapport au chromophore isolé

Tableaux avec

incréments reliés aux divers facteurs de

structure 

Prévoir   *

Spectres d'un grand nombre de molécules

 corrélations entre structures et maxima d'absorption

Règles empiriques

de Woodward,

Fieser et Scott

pour diènes et composés

carbonylés insaturés

 

 

TABLE 1 - Règles de WOODWARD – FIESER : Prévision de λ_max pour les diènes conjugués (dans l’éthanol)

Structure de base

Parent homoannulai

re

Parent

hététoannulaire Diène acyclique Valeur de base

253 nm 214 nm 217 nm

incrément à ajouter (nm)

Double liaison conjuguée supplémentaire Double liaison exocyclique

Alkyle ou reste alkyle

— O — R

— S — R

— Cl , — Br

— NR₂

— O — CO — R

30 5 5 6 30

5 60

0

VIII.2 - Chromophore carbonyle VIII.2.1 - Chromophore isolé

Deux types de transitions :

n->π* et π->π*

 Acétone : n->π* : λ_max = 280 nm, ε = 16 π->π* : λ_max = 186 nm, ε = 1000

VIII.2.2 - Chromophore conjugué

Règles de calcul établies par Woodward et Fieser

 position de la transition π->π* de groupements carbonyles α, β - insaturés

TABLE 2 - Règles de WOODWARD : prévision de λ_max pour les composés carbonylés insaturés (dans l’éthanol)

Structure de base

Valeur de base (dans l’éthanol)

215 nm 215 nm 202 nm 207 nm

Incréments à ajouter (en nm) Conjugaison supplémentaire

Hétéroannulaire

Homoannulaire

30 68

Double liaison exocyclique 5

Substituants : -R

-O-R

-O-CO-CH₃ ou O-CO-C₆H₅ -OH

-Br

    10 12 18 18 35 30 17 31 6 6 6 6 35 30 50 25 30

VIII.3 - Composés benzéniques

 Absorptions des aromatiques beaucoup plus complexes que celle des éthyléniques

 Plusieurs transitions π->π*

Benzène : trois bandes d’absorption dues à Benzène : trois bandes d’absorption dues à

des transitions π

des transitions ππ*π*

 λλ_maxmax = 184 nm = 184 nm, , ε = 60000 L.molε = 60000 L.mol^-1-1.cm.cm^-1-1  λλ_maxmax = 203 nm = 203 nm, , ε = 7900 L.molε = 7900 L.mol^-1-1.cm.cm^-1-1  λλ_maxmax = 256 nm = 256 nm, , ε = 200 L.molε = 200 ^-1.cm^-1

Effet des substituants perturbe OM.

Règles de Scott :

prévoir approximativement λ_max dans l’éthanol de la bande vers 256 nm des composés de formule générale :

TABLE 3 - Règles de SCOTT : prévision de λ_max des composés carbonylés aromatiques (dans l’éthanol)

prévoir approximativement λ_max dans l’éthanol de la bande vers 256 nm des composés carbonylés aromatiques substitués de formule générale :

Valeur de base :

R = alkyle ou reste de cycle 246 nm H 250 nm

OH, OR 230 nm

incrément à ajouter en nm

En ortho En méta En para

Alkyle (ou reste de cycle)

— OH , — OR

— Cl

— Br

— NH — CO — CH₃

— NR₂

— NH₂

3 7 0 2 20 20 15

3 7 0 2 20 20 15

10 25 10 15 45 85 58

VI - APPLICATIONS DE LA

SPECTROSCOPIE UV-VISIBLE VI.1 - Analyse qualitative

Peu de renseignements sur la structure moléculaire

Le spectre UV ou visible ne permet pas l’identification d’un produit mais celle du groupement chromophore qu’il contient.

VII.2 - Analyse quantitative

Très employée Très employée

Utilisation de la loi de Beer-Lambert Utilisation de la loi de Beer-Lambert

Ces mesures ont des applications

dans divers domaines

-

En laboratoire :

 Suivi de la cinétique d’une réaction

 Mesure des constantes de dissociation d’acides et de bases ou des constantes de complexation…

 Dosage du benzène dans le cyclohexane

 Détermination de la composition d’un mélange

 Etude d’isomérie cis-trans ou de tautomérie

- Police scientifique & Expertise judiciaire - Environnement :

 Ozone dans l’air des villes

 Métaux lourds dans l’eau

 Mesure du phénol dans l’eau (à la bande 200-300 nm)

 Matière organique, matières en suspension, nitrates contenus dans l'eau

- Lutte antidopage

- Mesure des couleurs (industrie des peintures) - Agroalimentaire (turbidité…)

 En spectroscopie UV, la caféine présente une bande caractéristique.

 Sachant que l'absorbance est

proportionnelle à la concentration de la substance , il va être possible de doser la caféine par spectrométrie UV à 272 nm.

- Pharmacie :

 dosage du fer dans un médicament

 Dosage des molécules actives dans une préparation pharmaceutique

Exemple d’application au dosage et à la caractérisation de principes actifs

Aspirine

Spectre UV de l’acide acétylsalicylique

- Parfums et cosmétiques

Les crèmes solaires contiennent des filtres UV ou « écrans solaire ».

Ces filtres absorbent les radiations UV les plus dangereuses pour la peau.

UV C 200-290

nm UV B 290-320

nm UV A 320-400

nm Effets Biologiques Dangereux Coup de soleil Bronzage Absorption

atmosphérique Totale Partielle Faible

Spectre UV du 4-méthoxycinnamate de [2- éthyl-1-hexyl], Filtre typique UV B :

CH₃O CH CH

O O C

CH₂ CH C₂H₅

C₄H₉

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2

250 300 350 400 450

Longueur d'onde / nm

Absorbance

ε 30 000 L.mol^-1.cm^-1 à λ_max = 310 nm

VII - TECHNIQUES EXPERIMENTALES VII.1 - Appareillage

 Etude des absorptions  appareil appelé spectromètre

Schéma de principe d'un spectromètre d'absorption UV- visible double faisceau



Rôle : fournir la radiation lumineuse

 Région 350-800 nm : une lampe à filament de tungstène

 Région UV (190 à 400 nm), lampe à décharge au deutérium

Source

Monochromateur

 Rôle : disperser le rayonnement

polychromatique provenant de la source

 radiations monochromatiques

Afin d’éviter de détériorer l’échantillon avec le rayonnement UV provenant de la source, celui-ci est placé à la sortie du monochromateur et ne sera donc traversé que par un domaine étroit de longueurs d'onde.

Diviseur de faisceau ou photomètre

 Lumière monochromatique sortant du

monochromateur séparée en deux faisceaux compartiment de l’échantillon

compartiment de la référence

Le détecteur est relié à un enregistreur qui permet de tracer un spectre d’absorption de l’échantillon analysée

VII.2 - Echantillonnage

 Composés étudiés dans divers états physiques : gazeux

liquide solide

L’ étude se fait en solution diluée

Solvant doit :

- dissoudre le produit

- être transparent dans la région d’étude

VII.2.1 - Solvants VII.2.1 - Solvants

Exemple

Exemple : Hexane utilisable comme solvant à : Hexane utilisable comme solvant à des longueurs d’onde supérieures à 210 nm des longueurs d’onde supérieures à 210 nm

* Solution placée dans une cellule ou cuve

VIII.2.2 - Cellules VIII.2.2 - Cellules

* Différentes épaisseurs

* En quartz pour le domaine UV-visible

* En verre pour le domaine visible