CHIMIE ORGANIQUE RELIÉE AUX VIVANTS SCIENCE DE LA NATURE CHIMIE ORGANIQUE RELIÉE AUX VIVANTS SPECTROSCOPIE INFRAROUGE A-2015 Johanne Roby

Spectre électromagnétique

Techniques permettant d’élucider la structure d’une molecule Spectroscopie Infra-rouge (IR): permet d’identifier les groupements fonctionnels de la molécule Spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN): permet d’élucider la structure de la molécule Spectroscopie de masse: permet de connaître la masse molaire de la molecule Spectroscopie Ulta-violet dans le visible: permet d’identifier et de quantifier une molecule

Type d’excitations d’une molécule en fonction du domaine du spectre électromagnétique qui excite cette molécule. Note: Il manque à cette figure les ondes radio, lesquels peuvent changer l’orientation de spin nucléaire. Rayons X Ultraviolet Visible Infrarouge Micro-onde

Ex: para-hydroxybenzoate de méthyle IR UV RMN Spectre de masse 1 2 3 4 m/z=152 m/z=121 (OCH3=31)

2 zones dans le spectre: de 1500 à 4000cm-1 (vibrations d’allongement) de 400 à 1500 cm-1 = empreinte digitale du compose (fingerprint)

Spectroscopie Infra-rouge Généralité spectroscopie d’absorption qui repose sur l’excitation vibrationnelle Pour ces spectres, on fait figurer : -         La transmittance T ou intensité lumineuse transmise par l’échantillon analysé en ordonnée (elle s’exprime en pourcentage) -         Le nombre d’ondes σ en abscisse. -         Le nombre d’ondes σ est l’inverse de la longueur d’onde λ. -        -σ s’exprime en cm–1 -         les radiations infrarouges exploitées vont de 600 cm–1 à 5000 cm–1.

Types de vibrations Dans le plan En dehors du plan Vibrations d’élongation ou d’allongement ou ‘stretching’ Haute fréquence (zone du 1500 à 4000cm-1) Vibrations de deformation ‘bending’ Basse fréquence (zone du 1500 à 600cm-1)

Facteur influençant la position des bandes a. Multiplicité de la liaison b. Masse des atomes c. Conjugaison (résonance) d. Etat géométrique du carbone e. Environnement de la liaison f. Liaison hydrogène

la MASSE DES ATOMES engagés dans la liaison La fréquence d’une vibration d’élongation donnée dans un spectre IR dépend de deux facteurs :   la MASSE DES ATOMES engagés dans la liaison Plus l’atome est léger, plus la fréquence de vibration augmente C-H C-D C-O C-Cl 3000 cm-1 2200 cm-1 1100 cm-1 700 cm-1 la Force relative de la liaison (liaisons triples > liaisons doubles > liaisons simples) Plus la liaison est forte, plus la fréquence de vibration augmente C=O C-O 3000 cm-1 2200 cm-1 1100 cm-1 - O-H N-H C-H 3500-3600 cm-1 3300-3400 cm-1 2900-3200 cm-1

Facteur influençant l’intensité des bandes Le spectre IR d’un composé, même simple affichera plusieurs pics d’absorption. Cependant, toutes les vibrations moléculaires ne se traduisent pas nécessairement par une absorption d’énergie IR mesurable. Pour qu’il y ait absorption, le moment dipolaire de la molécule doit varier lors de la vibration et doit être de forte intensité. Exemple du CO2 

Bandes faibles Bandes intenses   C-C C=C -CC- C-H C=O CN

Voir autre document….

La distillation simple   Consiste à une distillation avec une seule séquence vaporisation/condensation

La distillation fractionnée   Consiste à une distillation avec plusieurs séquences vaporisation/condensatio Le pouvoir séparateur intrinsèque d’une colonne est mesuré en plateaux théoriques (la notion de plateaux théorique est consécutive à la conception de colonne industrielle comme dans l’industrie pétrolière qui est équipée de plateaux réels). Par définition, le nombre de plateaux théoriques est le nombre de séquences vaporisation/condensation.

Évaporateur rotatif Consiste à évaporer un solvant à l’aide d’un appareil sous pression réduite où le ballon d’évaporation est mis en rotation continue puis chauffé à la température appropriée. Cette technique permet de concentrer rapidement notre produit.

L’hydrodistillation   consiste à distiller un mélange hétérogène (non miscible) avec de l’eau suivi d’un liquide organique Lorsqu’on distille un tel mélange hétérogène, on constate que : - le mélange bout à une température constante Tm (inférieure à 100oC) jusqu’à l’épuisement d’un des liquides. - la composition de vapeur Xb (ou Xa) demeure constante jusqu’à l’épuisement d’un des liquides.

Extraction liquide-liquide

Ex: mélange eau/CHCl3, masse volumique eau=1g/cm3, CHCl3: 1,5g/cm3 On doit comparer la masse volumique des deux phases (les deux solvants non-miscibles) pour savoir laquelle constitue la couche supérieure (masse volumique la plus faible) et laquelle constitue la couche inférieure (masse volumique la plus grande). Ex: mélange eau/CHCl3, masse volumique eau=1g/cm3, CHCl3: 1,5g/cm3 Ex: mélange eau/éther, masse volumique eau=1g/cm3, éther: 0,71g/cm3   Un coefficient de partage K = c solvant 1 / csolvant 2 détermine le ratio de composé qui sera solubilisé dans chacune des deux phases. On répète habituellement 2 ou 3 fois l’étape d’extraction pour être certain que tout notre produit est transféré de la phase 1 (solvant 1) à la phase 2 (solvant 2). Il est d’usage, après une extraction liquide-liquide, de sécher la phase organique qui renferme un peu d’eau. La présence d’eau peut être due soit à sa solubilité de l’eau, même faible, dans le solvant organique, soit à la difficulté de réaliser une bonne séparation des deux phases. Les desséchants chimiques usuels sont le MgSO4, le Na2SO4 ou le CaCl2 anhydre. Après le séchage, le desséchant est éliminé par filtration.

Lavage d’une phase organique

Chromatographie Définition:   Définition: technique utilisée pour séparer les constituants d’un mélange et pour purifier des substances. méthode physique de séparation fondée sur les différences d’affinité des substances à analyser à l’égard de deux phases : une phase stationnaire (une colonne ou une plaque avec un support solide ou liquide qui est fixe) une phase mobile (un éluant liquide ou un gaz vecteur) La séparation dépend de: l’attraction ou de la solubilité du soluté pour la phase stationnaire l’entraînement du soluté par l’éluant (phase mobile) CPV: chromatographie en phase gazeuse CCM: chromatographie sur couche mince HPLC: Hight Performence Liquid Chromatography

Chromatographie en phase vapeur CPV

Chromatographie en phase vapeur (CPV) C’est un technique de chromatographie qui permet de séparer et/ou d’identifier des molécules d'un mélange Elle permet aussi d’évaluer la pureté d’un composé Elle s’applique principalement aux composés gazeux ou susceptibles d'être vaporisés par chauffage sans décomposition (généralement les composés avec des masses molaires inférieures à 500 g/mol)

Appareil de chromatographie en phase gazeuse Le handbook Les sites de recherches Wikipédia - Outils de recherche spécifiques au domaine des sciences - Beilstein (accessible de l’université seulement) - Scifinder (accessible de l’université seulement) - PubMed (US National Library) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/ (ce site vous permet de trouver des références pour tous les articles traitant du sujet) - Chemexpert (http://www.chemexper.com/) - NIST-Webbook (http://webbook.nist.gov/chemistry/) - Dictionnaire et encyclopédie - Nouveau Petit Robert (en passant par l’intranet, centre des médias) - Universalis (en passant par l’intranet, centre des médias) - Wikipédia (à faire attention, car ce sont des particuliers qui écrivent les articles…) - National Academy of Sciences USA (http://www.pnas.org/) - RCSB Protein Data Bank (PDB) http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do - E-CPS Compendium des produits pharmaceutiques qui est utile pour trouver le contenu des médicaments (site accessible en passant par l’intranet, centre des médias)

Facteurs qui influencent l’ordre de sortie des molécules sur le chromatogramme Les différentes molécules du mélange vont se séparer et sortir de la colonne les unes après les autres en fonction de : la tendance qu’a le composé chimique à passer à l’état vapeur (sa volatilité (P.É.)) les conditions expérimentales (nature de la colonne (polaire ou non polaire), longueur et diamètre de la colonne, température de la colonne, type et débit de gaz). l'affinité de la phase stationnaire avec ces molécules (polarité)

Principe de séparation des produits   Influence de la Téb (facteur principal dans le cas d’une colonne non-polaire) Selon le point d’ébullition des composés : si Teb  TR    La polarité des composés et des phases (mobile et stationnaire) doit aussi être analysée. Phase stationnaire polaire Les substances polaires sont retenues par la phase stationnaire  elles sortent donc en dernier (grands temps de rétention Phase stationnaire non polaire (autre appellation : phase inverse, C18, etc.) Les substances polaires sont peu retenues par la phase stationnaire (car peu solubles)  elles apparaissent avant les substances peu polaires

Exercices: 1-Interprétation du chromatogramme des huiles essentielles du clou de girofle 2- Interprétation et recalcul des % d’aire sous la courbe lorsqu’il y a présence d’une impurté connue

Chromatogramme des huiles essentielles du clou de girofle conditions : colonne : HP-5 30mx0.32mmx0.25um, débit=1ml/min, T°Four=240C, T°inj=265C, T°Det=300C, débit H2=30ml/min, débit air=400ml/min)

  MM (g/mol) 164 206 204 Teb (deg C) 255 281 122 Temps rétention 2.2min 2.4 2.3 Polarité Volatilité   MM (g/mol) 164 206 204 Teb (deg C) 255 281 122 Temps rétention 2.2min 2.4 2.3 Polarité +polaire intermédiare - polaire Volatilité peu volatil peu volatil plus volatil Donc volatilité l’emporte sur polarité pour les deux dernières molécules

Explication: On constate que la masse molaire, la polarité et la température d’ébullition jouent un rôle dans l’ordre de sortir des composés; on ne peut isoler un seul facteur pour expliquer l’ordre de sortie des composés. L’eugénol étant le plus polaire avec une masse molaire faible malgré sa Téb élevée sortira en premier. Entre les deux autres composés, la masse molaire est similaire mais le β-caryophyllene a une température d’ébullition beaucoup plus basse malgré sa faible polarité.

2- Interprétation et recalcul des % d’aire sous la courbe (parfois on a une impurté tel le solvant)      

Exercice formatif: Voir les tableaux à compléter pour une expérience de laboratoire (voir exemple labo de l’extraction des H.E. du clou de girofle)

Exercice formatif: Interprétation du spectre Infra-rouge de l’eugénol

Interprétation du spectre infra-rouge de l’eugénol IR théorique de l’eugénol IR théorique de l’acétyleugénol Réf : http://riodb01.ibase.aist.go.jp/sdbs/cgi-bin/cre_index.cgi?lang=eng

IR expérimental de l’eugénol

Exercice formatif: Autres tableaux: voir le corrigé du laboratoire d’eugénol

Chromatographie sur couche mince CCM

Déf: Technique surtout employée pour l’identification d’un produit, l’évaluation de sa pureté et l’analyse qualitative.  La phase stationnaire la plus fréquemment employée est un dépôt de silice (une substance solide polaire) sur une plaque de verre ou d’aluminium. La phase mobile est un éluant liquide. Ce dernier a la capacité d’entraîner les composés polaires dans un système chromatographique polaire, dépend de sa propre polarité (série éluotropique, Table 1)

Exemple de chromatogramme et de chambre à élution Rf = dsubst/dsolv  où dsubst représente la distance parcourue par le composé      dsolv représente la distance parcourue par le solvant (éluant) 

Paramètres importants à considérer: -polarité de la substance -polarité de l’éluant Hexane  Tétracholométhane (CCl4)  Toluène  Dichlorométhane (CH2Cl2)  Éther diéthylique   Trichlorométhane (CHCl3)  Éthanoate d’éthyle (AcOEt)  Propanone (acétone)  Éthanol  Méthanol  Eau  Acide acétique  Série éluotropique Polarité croissante

Shéma 1: mélange brut contenant deux substances à séparer Note: Si l’une des substances migre moins que la seconde sur la plaque de silice, c’est qu’elle est davantage polaire (elle reste accrochée davantage sur la silice grâce aux interactions de Keesom ou aux ponts H). Selon les groupements fonctionnels sur la molécule, on peut prévoir grosso modo cette capacité à migrer Il convient de choisir judicieusement son éluant et de le noter clairement dans les rapports scientifiques.  Par exemple, Rf de A=0,19 éluant: 90%hexane/10%AcOEt, révélateur: lampe UV

Spot Valeurs des Rf Identification A B C Reproduction de la C.C.M. de la synthèse du 1-bromo-4-nitrobenzène avant purification éluant : _________________ révélateur : ______________ C B A Tableau 1: Rapports frontaux (Rf) de la C.C.M. du 1-bromo-4-nitrobenzène avant purification Spot   Valeurs des Rf Identification A B C

Spot Valeurs des Rf Identification A B C Reproduction de la C.C.M. de la synthèse du 1-bromo-4-nitrobenzène après purification éluant : _________________ révélateur : ______________ C B A Tableau 1: Rapports frontaux (Rf) de la C.C.M. du 1-bromo-4-nitrobenzène après purification Spot   Valeurs des Rf Identification A B C

La recristallisation Méthode de purification qui repose sur la différence de solubilité entre le composé à purifier et ses impuretés dans un solvant donné. La solubilité augmentant généralement avec la température, on dissout habituellement le composé dans le minimum de solvant porté à ébullition. Généralement on dispose d'un composé A contaminé par une petite quantité d'impureté B https://fr.wikipedia.org/wiki/Recristallisation_(chimie)

Chromatographie liquide haute-performence CLHP (HPLC)

HPLC: High Performence Liquid Chromatography CLPH: Chromatographie Liquide Haute-performence Le handbook Les sites de recherches Wikipédia - Outils de recherche spécifiques au domaine des sciences - Beilstein (accessible de l’université seulement) - Scifinder (accessible de l’université seulement) - PubMed (US National Library) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/ (ce site vous permet de trouver des références pour tous les articles traitant du sujet) - Chemexpert (http://www.chemexper.com/) - NIST-Webbook (http://webbook.nist.gov/chemistry/) - Dictionnaire et encyclopédie - Nouveau Petit Robert (en passant par l’intranet, centre des médias) - Universalis (en passant par l’intranet, centre des médias) - Wikipédia (à faire attention, car ce sont des particuliers qui écrivent les articles…) - National Academy of Sciences USA (http://www.pnas.org/) - RCSB Protein Data Bank (PDB) http://www.rcsb.org/pdb/home/home.do - E-CPS Compendium des produits pharmaceutiques qui est utile pour trouver le contenu des médicaments (site accessible en passant par l’intranet, centre des médias)

Chromatographie liquide haute-performence C’est un technique de chromatographie qui permet de séparer et identifier des molécules d'un mélange Elle permet aussi d’évaluer la pureté d’un composé Elle s’applique à presque tous les composés pouvant être dissous dans un liquide. Les échantillons peuvent avoir des masses molaires jusqu’à plusieurs milliers de g/mol. Cela peut être des protéines, des acides aminés, des polysaccharides, etc.

Principe de fonctionnement L'échantillon à analyser est entrainé par un liquide (phase mobile) dans une colonne remplie d'une phase stationnaire de fine granulométrie (les "grains" sont de très petite taille). Le débit d'écoulement de la phase mobile est élevé ce qui amène une augmentation de la pression dans le système. Ce débit élevé diminue le temps nécessaire pour séparer les composants le long de la phase stationnaire. La fine granulométrie de la phase stationnaire permet une meilleure séparation des composants. En effet, pour un même volume de phase stationnaire, la surface d'échange augmente si les "grains" qui la composent sont de diamètre plus petit.   Les solvants utilisés sont généralement des combinaisons miscibles d'eau et de divers liquides organiques (alcools, acétonitrile, etc.) appelé éluant. On varie habituellement leur rapport en cours d’élution (gradient de solvants) pour réussir à ‘’décrocher ‘’ progressivement les molécules les plus retenues sur la colonne.