Techniques analytiques

La spectroscopie infrarouge 红外光谱 vous aide à trouver le groupe fonctionnel 官能团 dans une molécule. Chaque type de liaison absorbe (absorbe) le rayonnement infrarouge à sa propre gamme de fréquences. Où la liaison montre une forte absorption 吸收, le spectre a un creux.

*Un spectromètre IR fait passer de l'infrarouge à travers un échantillon et enregistre quels nombres d'onde ses liaisons absorbent

La position est mesurée en nombre d'onde 波数 (en $\text{cm}^{-1}$). Vous recevez un tableau de données, donc vous ne mémorisez pas les chiffres. Vous faites simplement correspondre les creux aux liaisons :

• un large creux autour de $3200$–$3650\ \text{cm}^{-1}$ → une liaison O–H dans un alcool.
• un creux autour de $1700\ \text{cm}^{-1}$ → une liaison C=O (aldéhyde, cétone, acide ou ester).
• un large creux $2500$–$3000\ \text{cm}^{-1}$ combiné à un creux C=O → un acide carboxylique.

Ceci est utile pour vérifier une réaction. Par exemple, si propène a été transformé en propan-2-ol, le creux C=C devrait avoir disparu et un creux O–H devrait apparaître.

*Un spectre infrarouge : chaque liaison donne un creux à son propre nombre d'onde. Un large creux O–H combiné à un creux C=O identifie un acide carboxylique

En spectrométrie de masse 质谱, une molécule est transformée en ions et triée selon son rapport masse sur charge 质荷比 ($m/e$). Le spectre est un ensemble de pics à différentes valeurs de $m/e$.

*Un spectromètre de masse moderne : l'échantillon est chargé à l'avant, puis la machine l'ionise et trie les ions selon leur rapport masse/charge pour donner le spectre

Masse atomique relative à partir d'isotopes

Le mélange d'isotopes 同位素 d'un élément donne plusieurs pics. À partir de l'abondance isotopique 同位素丰度 (la fréquence de chaque isotope), vous pouvez trouver la masse atomique relative 相对原子质量 — une moyenne pondérée :

Par exemple, le chlore est 75% $^{35}\text{Cl}$ et 25% $^{37}\text{Cl}$, donnant $A_r = \dfrac{35 \times 75 + 37 \times 25}{100} = 35.5$.

L'ion moléculaire et la fragmentation

Le pic au plus haut $m/e$ (le pic de l'ion moléculaire 分子离子峰, ou pic de l'ion moléculaire, $M^+$) donne la masse moléculaire relative de toute la molécule.

La molécule se brise également en pièces plus petites — c'est la fragmentation 碎裂. L'espace entre deux pics vous dit la masse de la pièce perdue, donc vous pouvez suggérer chaque fragment 碎片. Par exemple, une perte de 15 signifie qu'un groupe $\text{CH}_3$ a été perdu, et une perte de 29 signifie $\text{CHO}$ ou $\text{C}_2\text{H}_5$.

*Un spectre de masse : le pic au plus haut $m/e$ est l'ion moléculaire ($M^+$, le $M_r$) ; les espaces entre les pics donnent les masses des fragments perdus

Les pics [M + 1] et [M + 2]

• un petit pic [M + 1] vient de l'isotope $^{13}\text{C}$. Le nombre d'atomes de carbone $n$ est :

• un pic [M + 2] indique le chlore ou le brome. Un chlore donne un pic $[M + 2]$ environ un tiers de la hauteur de $M^+$ (venant de $^{37}\text{Cl}$) ; un brome donne un pic $[M + 2]$ environ de la même hauteur que $M^+$ (venant de $^{81}\text{Br}$).

*Un pic $[M+2]$ deux unités de masse au-dessus de $M^+$ montre un halogène : un chlore donne un rapport $3:1$, un brome un rapport $1:1$

Exemple résolu. Un composé montre un ion moléculaire à $m/e = 108$ et un pic de hauteur presque égale à $m/e = 110$. Son spectre infrarouge montre aucune absorption large près de $3300\ \text{cm}^{-1}$. Déduisez son identité. Deux pics séparés de deux unités et de hauteurs approximativement égales sont la signature $1:1$ d'un atome de brome (venant de $^{79}\text{Br}$ et $^{81}\text{Br}$) ; un chlore aurait donné un rapport $3:1$ au lieu de cela. Retirez le brome de l'ion moléculaire : $108 - 79 = 29$, qui correspond à un fragment $\text{C}_2\text{H}_5$. L'absence d'un pic large près de $3300\ \text{cm}^{-1}$ exclut un $\text{O-H}$, donc il n'y a pas de groupe alcool. Le composé est le bromoéthane, $\text{C}_2\text{H}_5\text{Br}$. Lisez le rapport $[M+2]$ plutôt que de simplement noter le pic : $1:1$ signifie brome, $3:1$ signifie chlore.

• Sur un spectre IR citez le nombre d'onde et la liaison (O-H large $\sim 3200-3600$, C=O $\sim 1700$) ; utilisez le livret de données.
• Le pic au plus haut $m/z$ est l'ion moléculaire $\text{M}^+$ et donne la $M_r$.
• Expliquez la fragmentation : l'espace entre les pics est le fragment perdu (perte de 15 = $\text{CH}_3$, 29 = $\text{C}_2\text{H}_5$ ou CHO).
• Apprenez les modèles d'isotopes courants (Cl donne M et M+2 en environ 3:1 ; M+1 venant de $^{13}\text{C}$).