Identifier des groupes caractéristiques à l’aide de spectres IR et RMN

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Annales corrigées
Classe(s) : Tle S | Thème(s) : Analyse spectrale
Type : Exercice | Année : 2012 | Académie : Inédit
 
Unit 1 - | Corpus Sujets - 1 Sujet
 
Identifier des groupes caractéristiques à l’aide de spectres IR et RMN
 
 

Analyse spectrale

Corrigé

10

Observer

pchT_1200_00_09C

 

Sujet inédit

Exercice • 4 points

La bande due à la liaison (1 650 – 1 800 cm–1) est l’une des plus caractéristiques de la spectroscopie infrarouge. Très intense du fait de la forte polarité de cette liaison, elle est vite reconnue. La présence de cette bande n’est qu’un indice sur la structure de la molécule. C’est l’examen des autres bandes associées à la fonction qui permet l’identification du composé.

1 À quoi est due la polarité de la liaison  ? (0,25 point)

2 On va étudier les spectres infrarouges de quatre composés : le butanal, la butanone, l’acide butanoïque et le butanoate de méthyle.

1. Donner la formule semi-développée de ces quatre composés en nommant le groupe fonctionnel correspondant. (0,25 point)

2. À partir des spectres fournis en annexe et des tables, relier chaque type de liaison à son nombre d’onde. (0,25 point)

3. L’indication « cette bande est une des plus caractéristiques de l’infrarouge (1 650 – 1 800 cm–1) » est-elle confirmée ici ? (0,25 point)

4. Comment distinguer un aldéhyde d’une cétone à partir du seul spectre infrarouge ? (0,5 point)

5. Qu’est-ce qui permet d’identifier la présence d’un acide carboxylique ? Justifier. (0,5 point)

31. On donne ci-dessous le spectre infrarouge d’un composé inconnu. Que pouvez-vous déduire de ce spectre ? Peut-on déterminer exactement la fonction du composé ? (0,25 point)


 

2. À partir d’une analyse complémentaire, on détermine la formule brute du composé inconnu C4H8O2. Cette formule est-elle compatible avec l’analyse précédente ? (0,25 point)

3. Donner alors les formules semi-développées envisageables des isomères de formule C4H8O2. (0,5 point)

4. Le spectre RMN de ce composé montre trois signaux sur le spectre, quel composé pouvez-vous éliminer ? (0,5 point)

5. Avec les valeurs des déplacements chimiques données en annexe, interpréter le spectre RMN suivant et identifier le composé inconnu. Le nommer. (0,5 point)


 

Annexes

Déplacements chimiques

 

Proton

δ

Proton

δ

0,9 ppm

1,3 ppm

2,0 ppm

2,2 ppm

3,7 ppm

4,1 ppm

 

Spectres IR


 

 

 

 

2 Inventoriez les liaisons présentes dans les molécules que vous avez représentées. Trouver celles qui se retrouvent dans plusieurs molécules et comparer les spectres pour trouver les bandes communes.

31. Sur le spectre inconnu, repérez d’abord si la bande caractéristique de est présente.

4. et 5. Sur un spectre RMN, il y a autant de signaux que de protons H ou groupes de H équivalents. La multiplicité des signaux renseigne sur le nombre de voisins du proton H considéré.

Corrigé
 

Notez bien

La polarité d’une liaison est toujours due à la différence d’électronégativité entre les deux atomes de cette liaison.

1 Étude de la polarisation de la liaison

La polarité de la liaison est due à la différence d’électronégativité entre l’atome de carbone et l’atome d’oxygène. L’oxygène est plus électronégatif que le carbone, celui-ci porte une charge partielle positive alors que l’oxygène porte une charge partielle négative.

2 Étude de spectres infrarouges
de composés connus

 

Info

Vous devez connaître les fonctions et groupes caractéristiques des familles de composés suivants : alcools, aldéhydes, cétones, acide carboxylique, ester, amine, amide.

1.


 

2. À partir des tables et des spectres de l’annexe, on identifie les bandes d’absorption.

 

Butanone

1 718 cm–1

CH (alcane)

2 961 cm–1

Butanal

1 731 cm–1

CH (alcane)

2 966 cm–1

2 716 et 2 817 cm–1

Acide

butanoïque

1 712 cm–1

CH (alcane)

2 961 cm–1

bande large autour de 3 000 cm–1

Butanoate de méthyle

1 742 cm–1

CH (alcane)

2 961 cm–1

 

3. Oui, car pour toutes les liaisons , le nombre d’onde est compris entre 1 712 et 1 742 cm–1. Le groupe carbonyle est donc reconnaissable facilement en infrarouge.

4. On peut distinguer un aldéhyde d’une cétone car, sur son spectre, apparaissent deux bandes fines d’absorption dues à la liaison de la fonction aldéhyde qui ne sont pas présentes sur le spectre d’une cétone.

5. On peut repérer facilement la présence d’un acide carboxylique par la présence d’une bande vers 1 650 – 1 800 cm–1 due à la liaison , accompagnée d’une bande large due à la liaison . Ceci s’explique par la formation de liaisons hydrogène entre les molécules d’acide carboxylique.

3 Étude des spectres infrarouge et RMN d’un composé inconnu

1. On identifie la présence d’un groupe carbonyle par la bande intense à 1 740 cm–1. On ne retrouve pas les deux bandes caractéristiques de la liaison des aldéhydes ni la bande large vers 3 000 cm–1 de la liaison OH des acides. Le composé inconnu peut donc être une cétone ou un ester.

2. On constate qu’il y a deux atomes d’oxygène dans la formule brute, il s’agit donc d’un ester, ce qui est compatible avec l’analyse précédente.

 

Info

La nomenclature des esters est au programme. Ici, il s’agit respectivement de méthanoate de propyle, d’éthanoate d’éthyle et de propanoate de méthyle.

3. Trois esters correspondent à la formule brute C4H8O2 :

4. Si le spectre RMN présente trois signaux, cela signifie qu’il y a seulement trois groupes de protons différents. Or la molécule possède quatre groupes de protons différents, on peut donc l’éliminer.

 

Attention

Le raisonnement sur les signaux multiplets, les protons équivalents et les H voisins est à bien comprendre pour l’analyse des spectres RMN.

5. Le spectre RMN présente un triplet vers 1,2 ppm, un singulet à 2 ppm et un quadruplet à 4,1 ppm.

  • Pour le composé

    , le méthyle lié à

    n’est pas couplé (pas de voisin), il donne un singulet. D’après les tables, il doit se situer vers 2 ppm.

  • Pour le composé

    , le méthyle lié à O sort sous forme d’un singulet car il n’est pas couplé. D’après les tables, il est à 3,7 ppm.

  • Le singulet est à 2 ppm sur le spectre, il s’agit donc du

    . Le

    a trois voisins, il donne un quadruplet à 4,1 ppm, le CH3 a deux voisins et un triplet vers 1,1 ppm. Ce que confirment les tables.

Le composé inconnu est donc un ester : il s’agit de l’éthanoate d’éthyle.