Spectroscopie infrarouge  

D'après " SPECTROMETRIC IDENDIFICATION OF ORGANIC COMPOUNDS"
par SILVERSTEIN, BASSLER et MORILL. Editeur : John Wiley & Sons.

Pour plus de renseignements vous pouvez contacter Jean Umber,  
Professeur de Chimie au Lycée Louis Vincent à Metz (57000).

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Les transitions énergétiques se font ici entre les niveaux d’énergie de rotation des molécules ou entre leurs niveaux d’énergie de vibration.

Les transitions entre niveaux de rotation apparaissent dans l’I.R. lointain (de 20 à 250 mm ou de 500 à 40 ). Les transitions entre niveaux vibrationnels apparaissent de 1 à 20 mm (ou de 10 000 à 500 ). Nous ferons porter notre étude sur les transitions vibrationnelles. On constate qu’elles nécessitent plus d’énergie que les transitions rotationnelles. Aussi la lumière excitatrice provoquera-t-elle, pour chaque transition vibrationnelle, une multitude de transitions rotationnelles, qui vont donner au pic de transition vibrationnelle l’allure d’une bande d’absorption :

Modes de vibration.

1. Élongation.

Appelé aussi vibration de valence ou "stretching", ce mode concerne la vibration de la molécule le long des liaisons. La fréquence de vibration est donnée par la relation :

où k est la constante de force de la liaison (considérée ici comme un ressort), proportionnelle à l’énergie de liaison, et m la masse réduite des deux atomes reliés par cette liaison. Ainsi, les liaisons multiples, plus énergétiques que les simples, auront une constante de force plus élevée, donc une fréquence de vibration (remplacée dans la pratique par le nombre d’onde) plus élevée que celles des liaisons simples entre atomes identiques : C–C absorbe vers 1100 , C=C vers 1600 et Cº C vers 2100 . Par contre, les liaisons X–H, où X est un atome quelconque (C, N, O, ...), auront une fréquence d’élongation plus élevée que celle d’une liaison C–X, car la masse réduite m y est plus petite : pour C–H, m = 0,92 u.a. ; pour C–C, m = 6 u.a.

2. Déformations dans et hors du plan.

Considérons une structure . En plus de la vibration de valence, l’angle des liaisons peut varier : il y a flexion ou déformation. Ces déformations peuvent avoir lieu dans le plan des deux liaisons concernées (on les note d ) ou hors du plan (on les note g ). Il y a aussi possibilité de déformations symétriques et asymétriques. voici quelques exemples :

Application de l’I.R. à la détermination des diverses fonctions d’un composé organique. 

Non seulement la nature des deux atomes vibrants intervient dans la valeur de la constante de force, mais aussi l’environnement électronique. Aussi chaque groupement fonctionnel aura-t-il des fréquences caractéristiques d’élongation et de déformation. Nous allons passer en revue les diverses fonctions grâce à l’étude de quelques spectres :

1. Les groupements carbonés saturés : les alcanes.

On trouve principalement les vibrations d’élongation de la liaison C–H entre 3000 et 2840 . Nous retrouvons ici les fréquences suivantes :

Il suffira de repérer une absorption dans ce domaine pour suspecter fortement la présence de liaisons C–H.

Vers 1400 se situent les vibrations de déformation dans le plan des liaisons C–H :

Une vibration de déformation hors du plan des apparaît à 722 . Les sont très faibles et se situent entre 1200 et 1800 .

2. Doubles liaisons carbone - carbone.

Par rapport à l’exemple précédent, il apparaît deux pics nouveaux : à 1645 , il s’agit de . À 3050 , il s’agit de . Les vibrations des groupements saturés apparaissent toujours, et il faut encore remarquer les deux bandes à 986 et 907 . Ces deux bandes ne sont à étudier que s’il y a un problème de stéréochimie éthylénique (Z ou E) non soluble par ailleurs.

Lorsque les doubles liaisons sont conjuguées :

Les trois bandes précédentes subissent un effet hyperchrome ; le subit en outre un effet hypsochrome et les autres un effet bathochrome :

3. Triple liaison carbone–carbone.

Il faut remarquer la faible bande de l’élongation à 2110 . On ne la voit pas toujours, surtout lorsqu’il s’agit d’alcynes disubstitués. Par contre, la bande d’élongation des alcynes monosubstitués est toujours intense et sort ici à 3268 . Moins importante à signaler est la bande de déformation de acétylénique (630 ) , ainsi que son premier harmonique (1247 ).

4. Composés aromatiques mononucléaires (benzènoïdes).

Il faut toujours s’intéresser aux bandes des basses fréquences : de 900 à 650 . C’est là que l’on trouve les renseignements concernant le nombre de substituants du cycle aromatique et leur position l’un par rapport à l’autre. Sur notre exemple, l’unique bande de déformation hors du plan de la liaison aromatique montre l’existence d’une disubstitution –1,2 ; et ce d’autant plus sûrement qu’il s’agit d’une bande intense.

Dans l’exemple suivant (alcool benzylique avec cycle monosubstitué), on trouve deux bandes fortes , correspondant aux deux modes privilégiés de déformation hors du plan pour 5 hydrogènes aromatiques adjacents. On trouve, dans la zone allant de 1300 à 1000 les bandes de déformation dans le plan des H aromatiques. Elles sont plutôt faibles et nous ne nous en serviront pas pour la détermination fonctionnelle.

Intéressante aussi est la zone comprise entre 2000 et 1667 (lorsqu’il n’y a pas de carbonyle dans la molécule) où l’on retrouve les harmoniques des bandes de déformation hors du plan et dans le plan : c’est la signature de la molécule aromatique, qui peut confirmer, si nécessaire, les informations obtenues grâce aux . Il faut aussi rappeler les bandes (un peu au dessus de 3000 , ici 3008 ), avec un plus grand nombre de bandes pour l’alcool benzylique, entre 3100 et 3000 (B). Il existe également plusieurs modes d’élongation des liaisons C = C aromatiques : dans cet exemple ils apparaissent à 1605, 1495, 1466 . S’il y a conjugaison du cycle avec un doublet p ou s non liant, il peut apparaître une quatrième bande.

5. Alcools et phénols.

Les bandes caractéristiques concernent les liaisons C–O et O–H . L’élongation de O–H d’un alcool donne une absorption intense dont la fréquence dépend de l’existence ou non de liaisons hydrogène : . Pour une molécule diluée dans un solvant aprotique apolaire, donc lorsqu’il n’y a pas de liaisons H, la fréquence se situe entre 3600 et 3584 . Par contre pour l’alcool benzylique pur, avec de fortes et nombreuses liaisons H , cette fréquence descend à 3300 . L’alcool secondaire suivant (2,6,8-triméthyl-nonan-4-ol) voit son à 3355 . Laissons de côté les bandes déjà étudiées (, , ). Selon le type d’alcool (primaire, secondaire ou tertiaire), les et auront des absorptions différentes :

Le phénol montre tous les pics précédents, avec les effets de la conjugaison entre les électrons p du cycle et le doublet non liant de O : hyperchrome en général, hypsochrome pour (3045 ), (1360 ) et (1223 ), et bathochrome pour aromatique (1580 en particulier). Les deux bandes pour la monosubstitution se retrouvent à 685 et 745 (G et H).

6. Éthers.

La réponse caractéristique des éthers est associée à l’élongation du système C–O–C. Il y a une bande d’élongation symétrique (faible en général, sauf s’il y a conjugaison) : 1030 pour l’anisole ; et une bande d’élongation asymétrique, toujours forte, vers 1200 (1245 pour l’anisole : E)

7. Cétones.

Tous les composés organiques comportant un groupement carbonyle C=O ont une absorption caractéristique intense vers 1700 : c’est la bande la plus intense et la plus nette d’un spectre IR. La valeur de l’absorption du C=O dépend de l’état physique (solide, liquide, vapeur, en solution) , des effets dus aux groupes voisins, de la conjugaison, et des liaisons H éventuelles.

Une cétone aliphatique absorbe vers 1715 . Le remplacement d’un groupement saturé par un hétéroatome provoque un effet hypsochrome si l'effet –I prédomine (–X, mais aussi –O d’un ester, acide, anhydride,...) et un effet bathochrome si l’effet +E prédomine (–N, –S,...). La conjugaison avec une double liaison C=C diminue la force de la liaison C=O et de la liaison C=C. Il y a effet bathochrome pour les deux absorptions et (1685 -1666 pour le ). La conjugaison ne se fait pas sentir pour les a -dicétones R–CO–CO–R.

Sur les deux spectres de cétones proposés, on va retrouver les respectivement à 1725 (non conjugué) et 1683 (conjugué). Il faut remarquer l’existence d’une bande d’élongation C–CO–C, de faible intensité, à 1172 pour le premier composé, à 1255 , plus forte, pour la cétone aromatique. Cette bande est à distinguer de celle des esters et des acides (beaucoup plus forte, dans la même zone de nombre d’onde).

Les contraintes dues aux cycles ont un effet hypsochrome sur le . Ainsi la cyclohexanone absorbe-t-elle à 1715 , la cyclopentanone à 1751 et la cyclobutanone à 1775 .

8. Aldéhydes. 

L’absorption de se fait pour une fréquence un peu plus élevée que pour une cétone (1740–1720 ). On retrouve l’influence des effets –I et +E, ainsi que celle de la conjugaison. Le trichloroéthanal absorbe ainsi à 1768 . De nouvelles bandes apparaissent, celles dues à l’absorption aldéhydique. Le premier sort sous forme d’un doublet (C) (ici 2825 et 2717 ) au dessous des aliphatiques. Le second sort à 1389 (F) (peu important).

9. Acides carboxyliques.

Deux bandes importantes : et , et deux bandes mineures : et . Les acides carboxyliques existent sous forme de dimères à cause des très fortes liaisons H existant entre O–H et C=O :

Ainsi observe-t-on la plupart du temps le du dimère. En solution très diluée dans un solvant apolaire, vaut 3520 . Lorsque le dimère existe, on a au contraire une bande très large et très intense entre 3300 et 2500 , sur laquelle se superposent les alkyles et aryles (B sur le spectre de l’acide heptanoïque). Le du du monomère est intense et absorbe vers 1760 (effet –I de O qui prime ici). Dans le dimère (qui est la structure habituelle), la liaison C=O est affaiblie par la liaison H et la bande d’absorption subit un effet bathochrome important : entre 1720 et 1706 (ici 1715 ). Les effets électroniques sont toujours à prendre en compte. À 1408 , on trouve , à 1280 , ; à 930 , .

10. Ions carboxylate.

On trouve deux bandes pour , avec un effet bathochrome par rapport à la bande C=O : 1600 (symétrique) (m) et 1385 (asymétrique) (F).

11. Esters et lactones.

Ceux-ci ont deux bandes intenses qui permettent de bien les identifier : les et . À cause des effets –I de O (tempérés ici par les effets +I du groupe alkyle), l’absorption subit un effet hypsochrome : 1750 – 1735 . Si le groupement lié à O est insaturé (comme c’est le cas ici), la conjugaison du doublet non-liant de O avec la double liaison dégarnit l’oxygène de quelques pour-cent d’électron ; ceci va augmenter l’effet –I de O et donc la fréquence d’absorption du : 1770 pour l’éthanoate de phényle. L’effet de cycle (lactones) joue comme pour les cétones cycliques : les g –lactones absorbent à 1795 – 1760 . La conjugaison avec le C=O a comme prévu un effet bathochrome sur (1730 – 1715 pour les benzoates).

Il y a deux élongations couplées qui font intervenir la liaison C–O : et . La première est très intense : 1210 – 1260 (ici 1205). La seconde l’est surtout pour les esters de phénol : 1030 – 1190 (ici 1183).

12. Halogénures d’acides. 

Le C=O subit un effet hypsochrome, entre 1815 et 1785 (1870 pour les fluorures). Ici, l’absorption se fait à 1790 à cause de la conjugaison (A). Le C–Cl vibre à 875 (C), et donne un harmonique assez net à 1745 (B).

13. Anhydrides d’acides.

Les deux carbonyles vibrent de manière couplée : . Aussi observe-t-on des fréquences d’élongation asymétrique (1825 ) et symétrique (1758 ). À 1040 , il s’agit de l’élongation symétrique et asymétrique.

14. Amides 

Les amides sont caractérisées par les vibrations relatives à C=O , N–H essentiellement, C–N accessoirement ( = 1425 ). Le sort pour une fréquence plus basse que dans le cas des cétones (effets +E de N) et recouvre la bande correspondante au (1640 pour ces bandes). Dans le cas de la N’N–diméthyl–méthanamide, seul le existe (1680 ). Les bandes de vibration sortent aux alentours de 3250 dans les produits purs à cause des liaisons H. Il y a deux bandes pour les amides primaires (élongations symétrique et asymétrique) (ici 3350 et 3170 ), l’asymétrique étant la plus intense. On ne trouve qu’une bande dans cette zone pour les amides secondaires (3210 pour la N–éthylpropanamide), et pas de bande du tout pour les amides tertiaires. À remarquer encore la bande large à 700–600 .

15. Amines.

Comme pour les amides, on retrouve, mais en moins intense, les bandes suivantes : : deux pour les amines I (3365 et 3290 ici), une pour les amines II et zéro pour les amines III ; : 1063 (pas de conjugaison) ; : 1620 et : 910 –660 .

16. Les nitriles. 

La bande sort, comme pour les acétyléniques, vers 2200 (2210 ici), mais elle est plus intense. D’autres groupements absorbent intensément dans cette zone : les isocyanates –N=C=O , les isothiocyanates –N=C=S , les diimides –N=C=N– et les isonitriles .

17. Dérivés nitrés. 

Deux bandes très intenses correspondant aux élongations asymétrique (1520 ) et symétrique (1345 ) du groupement ressortent très nettement du spectre. Le est relativement intense à 850 .

18. Hétérocycles aromatiques. 

On retrouve les mêmes modes de vibration que pour les aromatiques :

* , entre 3077 et 3003 , comme pour les aromatiques (il y a ici un grand nombre de modes d’élongation)

* ; lorsqu’elle existe, cette liaison fait apparaître une bande entre 3500 et 3220 (cf. amides) . c’est le cas pour le pyrrole, l’imidazole, l’indole,...

* ; comme dans le cas des benzènes substitués, on compte le nombre d’atomes d’hydrogène adjacents pouvant se déformer de manière couplée. Ainsi, pour la pyridine, il y a 5 H adjacents, ce qui correspond à un benzène monosubstitué, et donc à deux modes de déformation hors du plan à 748 et 703 . Il y a 4 bandes de squelette (B) pour la pyridine, moins pour les cycles à 5 chaînons.

19. Dérivés soufrés.

Les Thiols sont remarquables par l’existence d’une bande assez faible vers 2560 (ici C : 2665 ). Comme les dérivés nitrés, les sulfones et autres acides sulfoniques, sulfonates,..., présentent deux bandes très fortes vers 1350 (ici 1351 ) et vers 1180 (ici 1176 ).