Exercices supplémentaires en spectroscopiethibaupi/CHM2971/DOC/Exer_spectro_sup… · 4- Quels types de matériaux sont utilisés dans les lampes en IR? CHM 2971 H2006 7 Exercices

CHM 2971 H2006 1

Exercices supplémentaires en

spectroscopie

CHM 2971 H2006 2

Exercices supplémentairesQuestion 1

Vous voulez faire une analyse multicomposants des trois produits suivants.1- Sure le graphique qui suit, tracez de manière qualitative le spectre d’un mélange des trois produits2- Lesquels de ces 3 produits auront la plus grande et la plus petite incertitude lors de la quantification multicomposants et pourquoi ?3- Quel effet a la substitution des hydrogènes par des iodes sur le spectre UV-Vis de cette structure?4- Déterminez les concentrations utilisées pour effectuer le spectre de chacun des trois produits (l = 9 mm).

1.2

1.4

CHM 2971 H2006 3

Voici trois spectres (A, B et C) d’absorption UV-Vis de la 1,2,4,5-tétrazinedans trois différents milieu. Identifiez quel spectre est acquis dans quelmilieu et expliquez pourquoi.

- Dans l’eau- Dans l’hexane- À l’état vapeur

A

B

C


CHM 2971 H2006 4

Structure du médicament anti-inflammatoire benzydamine et spectre UV-Vis dans un tampon phosphate pH = 7,5 ; [Bz] = 1 x 10-4 M ;l = 11 mm

1- Pourquoi l’analyse de la benzidamine doit-elle s’effectuer dans un tampon basique?2- Quelle est la longueur d’onde optimale (λMAX) pour une analyse quantitative?3- Calculez le coefficient d’absorptivité molaire de cette drogue à λMAX.4- Sachant que l’erreur sur la transmittance est minimale entre 20% et 70%, calculez les concentrations limites utiles pour une analyse quantitative à λMAX.5- Tracez de manière qualitative sur un même graphique les courbes d’étalonnage d’une analyse à λMAX, à λ = 235 nm, à λ= 295 nm, à λ = 275 nm et à λ = 190 nm


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1- Pourquoi le dicyanoanthracene (DCA) est-il fluorescent?2- Lorsque le DCA est analysé par fluorescence dans différents solvants ses λEX et λÉM varient. Pour quelles raisons ?3- Expliquez la variation pour les trois premiers solvants dans la liste.4- L’ajout progressif d’iodobenzene au DCA donne la réponse décrite dans le graphique ci-dessous. Expliquez cet l’effet?5- Quel type de graphique est représenté ci-desous?

Constantediélectrique1- 2,0152- 3,63- 4,8064- 2,2285- 2,2746- 2,3797- 2,5688- 2,3749- 2,27010- 2,27911- 5,62112- 5,4013- 2,44

I0 : intensité de la radiation excitatriceI : intensité d’émission

DCA

CHM 2971 H2006 6


1- Voici le spectre d’émission de deux lampes. Identifiez ces lampes.

2- Vrai ou faux. Expliquez.a) Plus l’intensité d’une lampe est grande, plus l’analyse par absorption moléculaire est sensible.b) Moins de 10 % des molécules organiques absorbent à λ < 200 nm.c) La lampe dont le tracé est en bleu est utile dans l’IR

3- Quel type de lampe est la plus utilisée en fluorimétrie?

4- Quels types de matériaux sont utilisés dans les lampes en IR?

CHM 2971 H2006 7


1- Parmi les trois premiers produits, lequel (lesquels) peuvent être analysés dans l’acétone.

2- Pour quelle raison ce solvant est si limitant. Donnez deux solvant qui ne le serait pas pour effectuer une analyse quantitative.

3- Quelle concentration de chacun de ces produits donnerait une absorbance maximale de 0,5 (assumer l = 1 cm)?

4- Lesquels de ces produits doivent être analysés dans un tampon et pourquoi?

CHM 2971 H2006 8


1- Identifiez le spectre d’émission, le spectre d’excitation, les axes et leurs unités2- Déterminez a) la longueur d’onde d’émission

b) la longueur d’onde d’excitationc) le shift de Stokes

3- Calculez le rendement quantique de fluorescence (Φ)4- Calculez la transmittance, l’absorptivité molaire et dérivez une équation qui les relie5- Le rendement quantique est 3X plus important dans un solvant polaire aprotique tel le DMSO. Discutez de deux autres manières d’augmenter le rendement quantique de fluorescence.

Analyse fluorimétrique d’un carbostiryl dans l’eau: - Concentration = 1X10-6 M- Chemin optique = 10 mm- Intensité de la radiation excitatrice = 2476- Absorbance de la solution = 0,15

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1

2

3

1

2

3

1- L’enregistrement de ces spectres s’est effectué à 5 nm/s. Quelles seront les effets d’une augmentation de la vitesse à 100 nm/s ? 2- Quelles seront les effets de l’élargissement de la fente à la source ?3- Une analyse multicomposants d’un mélange inconnu de ces trois produits donne les absorbances suivantes (l = 1cm):λ322 ; 0,24 λ358 ; 0,62 λ370 ; 0,12Calculez le nombre de moles présentes dans 250 ml de solution.


Produit λ(nm) ε (M-1cm-1)1 322 5004

358 15632370 39

2 322 2961358 8305370 13409

3 322 9178358 7370 0

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1- Voici la partie amide I du spectre infrarouge de la protéine citratsynthase suite à un chauffage de la solution pour 50 minutes. Déterminez la composition structurale? 2- Sachant que la composition structurale déterminée suite à une analyse par rayon X de la protéine est celle donnée dans le tableau suivant ; quelle a été l’effet du chauffage?

Composition; rayon X

α-helix 64

β-sheet 1

β-turn 23

désordonné 1

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Tracez un graphique qualitatif montrant la 2ème dérivée du spectre d’absorption d’un mélange de ces trois produits. Identifiez les axes.

CHM 2971 H2006 12

1

2

3

1- Est-il possible de quantifier ces trois benzofuroquinolines par analyse multicomposants?2- Quelles longueurs d’ondes utiliseriez-vous pour effectuer une analyse multicomposants des produits 1 et 2; 1 et 3; 2 et 3 ?3- Quelle méthode permettrait une analyse d’un mélange de ces trois produits et sur quelle région du spectre serait-elle la mieux applicable?


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Voici le spectre d’absorption UV-Vis d’un mélange de trois produits et le spectre d’une dérivée.

1- Quelle dérivée a été appliquée pour obtenir le spectre du bas?

2- Nommez toutes les axes

3- Déterminez le signal maximal de chacun des produits dans le spectre dérivée.

4- L’étalonnage externe du produit C par la méthode différentielle donne l’équation suivante:y = mx+b ; y= 4000[C en mol/L]-0,003a) que représentent x, y et m? b) comment sont obtenus x, y et m? c) calculer la concentration du produit C

330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 4300

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

A

B

C

mA.

U.

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Question 15Vous cherchez à doser la phenylalaline et la tyrosine dans un échantillon alimentaire par spectroscopie infrarouge. Comment vous sera-t-il possible de distinguer entre les patrons spectroscopique de ces deux acides aminés? Spécifiez deux signaux caractéristiques. Les spectres des deux a.a. sont les suivants.


1- Dessinez le diagramme d’énergie représentant le principe de la spectroscopie d’absorption en UV-Vis. Expliquez ce qui est quantifié expérimentalement ; où s’effectue la lecture expérimentale sur ce diagramme?

2- Dessinez le diagramme d’énergie représentant la fluorescence. Comment s’appelle ce diagramme? Oùs’effectue la lecture expérimentale sur ce diagramme?

3- Dessinez le diagramme d’énergie représentant l’infrarouge. Quelle types d’excitations sont analysées en spectroscopie IR?

Question 14Reliez les éléments apparentés

Poudre

Complexes inorganiques

Films

Granuliométrie

Analyse quantitative

IR moyen

IR lointain

IR proche

Réflexion totale

Réflexion totale atténuée

Réflexion diffuse

Photoacoustique

12 800 – 4000 cm-1

4000 – 200 cm-1

200 – 10 cm-1

CHM 2971 H2006 15

CHM 2971 H2006 16

Corrigé des exercices supplémentaires en

spectroscopie

CHM 2971 H2006 17

Solution Q. 11- 2- Le produit bleu possèdera la plus grande

incertitude de quantification puisque les deux autres produits absorbent aussi à son λMAX. Par contraste, le produit rouge possèdera la plus petite incertitude de quantification puisque aucun des deux autres produits n’absorbe àson λMAX. Effectuer une lecture là où il y a une superposition de signaux implique non seulement l’addition de l’absorbance, mais aussi l’addition des incertitudes sur cette absorbances à cette λ.

3- En substituant les H par des I, les énergies des orbitales du noyau aromatique sont modifiées menant à un shift bathochromique. Ainsi, les énergies sont diminuées

[ ]

lAx

xlA

ε

ε λλ

=

=

][

)()(

4- Il suffit d’appliquer la loi de B-L

Avec l = 9 mm = 0,9 cm A (u.a)

1,0251,051,025

[x] molL-1

3,77x10-5

1,28x10-5

1,42x10-5

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Voici trois spectres (A, B et C) d’absorption UV-Vis de la 1,2,4,5-tétrazinedans trois différents milieu. Identifiez quel spectre est acquis dans quelmilieu et expliquez pourquoi.

B- Dans l’eauC- Dans l’hexaneA - À l’état vapeur

A

B

C

Solution Q. 2

L’état dans lequel se trouve l’analyte lors de l’analyse UV-Vis affecte son spectre d’absorption. À l’état vapeur, les molécules sont très espacées et interagissent peu entre elles et avec le milieu. Elles possèdent un grand nombre de degré de liberté menant à des transitions spécifiques permettant de reconnaître la structure fine complexe des niveaux associés aux divers états électroniques excités. À l’état condensé,la libertérotationnelle est atténué. De plus,la solvatation et le type de solvant peut restreindre le nombre de degré de liberté d’une molécule et élargies (étendre) les énergies des différents états vibrationnels. Contrairement à l’hexane, l’eau participe à des ponts hydrogènes avec la tétrazine ce qui diminue le nombre de degrés de liberté de l’analyte; il en résulte un élargissement de la raie d’absorption.

CHM 2971 H2006 19

1- Il faut travailler dans un milieu basique pour éviter la protonation de l’amine tertiaire. De plus, en tamponnant la solution, on s’assure d’enregistrer le spectre UV-Visd’une seule forme de la drogue.

2- λMAX = 306 nm

3-

4-

Solution Q. 3

A = 0,57 λ = 306 nm

[ ]

114

)()(

51821011,1

57,0][

−−− =

×∗=

=⇒=

cmMMcm

xlAxlA

ε

εε λλ

)log(TA −=T = 0,2 → A = 0,70

→ [x] = 1,23x10-4M

T = 0,7 → A = 0,15

→ [x] = 2,63x10-5 M

[ ]εlAx =

CHM 2971 H2006 20

Solution Q. 35- Il existe plusieurs facteurs pouvant affecter la linéarité de la relation B-L :

a) Les déviations dans les coefficients d’absorptivité molaire aux hautes concentrations (>0.01M) - en raison des interactions électrostatiques entre les molécules

- changement de l’indice de réfraction

b) Dispersion lumineuse par des particules

c) Fluorescence / phosphorescence de l’échantillon

d) Participation à des équilibres chimiques qui sont fonction de la concentration

e) Rayonnement polychromatique; les déviations peuvent être minimisées en utilisant une partie relativement plate de la gamme d'absorption telle que le maximum de la bande d'absorption.

Les facteurs qui jouent ici sont (a) et (e). Plus l’absorbance est grande, plus la sensibilité de l’étalonnage est grande (grande pente). Cependant, si λ n’est pas un maximum ou un minimum, la gamme linéaire est réduite dû surtout à(e) et les limitations instrumentales.

CHM 2971 H2006 21

Solution Q. 41- La structure aromatique et rigide du DCA promeuvent la fluorescence

2- Les interactions solvant / analyte modulent les énergies des orbitales des analytes ce qui affecte directement leur spectre d’absorption et d’émission.

3- Il y a une augmentation de la constante diélectrique (2,015 < 3,06 < 4,806) qui mène à un shift bathochromique de λÉM et λEX. Plus la constante diélectrique d’un solvant est haute, plus les molécule de ce solvant sont aptes à transporter l’énergie de manière efficace. Ceci dit, les molécules nécessitent un rayonnement moins énergétique (λΞ↑) pour promouvoir leurs électrons aux états excités. Une manière analogue d’expliquer l’effet de la constante diélectrique et de concevoir que son augmentation diminue la vitesse de propagation du rayonnement dans le milieu menant à une compression de l’onde, une augmentation de la fréquence et un diminution de la longueur d'ondes. Le rayonnement perçu par les analytes en solution est donc plus énergétique.

4- L’iodobenzene contient un atome halogène (iode) qui est reconnu comme un désactivant actif. L’iode est un désactivant par collision très efficace. Plus la concentration en iodobenzene augmente, plus la fréquence des collisions augmentent et plus l’intensité de fluorescence diminue (I↓ ⇒ I0/I augmente)

5- Ce graphique est du type Stern-Volmer.

CHM 2971 H2006 22

Solution Q. 51-

2- a) FAUX. En absorption UV-Vis, la mesure de la transmittance est relative (T = I/I0). Une augmentation de l’intensité n’offre aucun avantage immédiat puisqu’en augmentant I0, Iaugmente de manière proportionnelle et T reste inchangé. Cependant, il existe une limite inférieure d’intensité à utiliser pour effectuer des analyses sensibles. Il existe aussi une limite supérieure pour ne pas décomposer l’échantillon.

b) FAUX. La grande majorité des molécules organiques et inorganiques absorbent à λ < 200 nm. À ces λ, l’énergie portée aux électrons dans la molécule est assez grande pour exciter les électrons des liens chimiques les plus simples et les moins photosensibles.

c) VRAI. Une lampe au tungstène peut être utilisé en IR si elle est adaptée pour émettre à des longueurs d’ondes plus grandes (IR 2500 nm - 25 000 nm). Il suffit de chauffer le filament à de plus hautes température (effet de corps noir) dans un gaz inerte pour qu’elle ne s’oxyde pas en présence d’O2.

3- Lampe au xénon

4- Céramique de haute pureté ou dopées.

Deutérium D2Tungstène

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Solution Q. 6

1- Le seuil de coupure de l’acétone est très haut, soit près de 350 nm. Donc, il serait seulement possible d’analyser la b-carotène qui possède un lmax vers 450 nm .

2- Les solvants étant des molécules organiques, ils possèdent un spectre d’absorption qui leur est propre. Ce spectre peut interférer avec celui de l’analyte d’intérêt en solution. Il faut choisir le solvant d’analyse en conséquence des produits analysés. Le seuil de coupure est une propriétés qui aide à faire ce choix. (T > 90%)

Comme les maximums d’absorption de l’aspirine et de la caféine se situent vers 270 nm, les solvants adéquats pour l’analyse seraient : l’eau, l’acétonitrile, l’hexane, le méthanol, l’éthanol

3- Assumer l = 1cm Produit: ε (M-1cm-1) [x] (M)

A = 0,5 b-carotène 89 000 5,62x10-6

caféine 1120 4,46x10-4

aspirine 425 1,18x10-3

acétone 12 4,16x10-2

4- Les produits contenant une fonction acide ou basique: caféine et aspirine

[ ]εlAx =

CHM 2971 H2006 24

CHM 2971 H2006 25

Inte

nsité

de f

luor

esce

nce

(u.a

.)

Solution Q. 71 et 2-

Excitation Émission

λEX = 410 nm λÉM = 540 nm

Shift130 nm

Longueur d’onde λ (nm)

3-

128,071,01

2476/92//

/

000

0

0

=−

=−

=Φ

−=Φ

IIIIII

III

FF

FF

?2476

92

0

==

=

II

I f

71,0/10

)/log()log(15,0

0

0

===

−=−==

− IIT

IITAA

A

4- T = 0,71 (calculé en 3)

[ ]

][)log()log(

)(

1500001011

15,0][

11

6

xlTTA

Tf

cmMMcm

xlAxlA

−=

−==

=×∗

=

=⇒=

−−

−

ε

ε

ε

εε

5- Pour augmenter le rendement quantique de la fluorescence, il suffit de diminuer la fréquence des désactivations non-radiatives. Ceci est possible en minimisant les collisions par un abaissement de la température ou une augmentation de la viscosité du solvant de l’analyse.

CHM 2971 H2006 26

Solution Q. 81 et 2- Référez-vous à vos notes de cours

3- Le graphique du mélange des trois produits donne les absorbances maximales suivantes:λ322 ; 0,24 λ358 ; 0,69 λ370 ; 0,11

Soit: [produit 1] = x [produit 2] = y [produit 3] = z

Nous avons 3 inconnus, il nous faut 3 équations pour résoudre le problème:

λ322 0,24 = 5004x +2961y +9178z

λ358 0,62 = 15 632x + 8305y + 7z

λ370 0,12 = 39x + 13409y + 0z

Solution:

x = 3,5x10-5 mol/L → 8,8x10-6 mol / 250 mL

y = 8,8x10-6 → 2,2x10-6

z = 4,2x10-6 → 1,05x10-6

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Solution Q. 9 Pic Aire Structure1625 2208→ feuil-β1646 6532→ désord.1652 598 → helix-α1665 2640 → tour-β1681 2552 → tour-β1695 832→ désord.1709 293 → désord.

tot.= 15655

Composition; rayon X IR

α-helix 64 4

β-sheet 1 14

β-turn 23 33

désordonné 1 49

A

B

A1/2

Assignations• région désordonnée 1600-1614 cm-1

• feuillet β 1615-1640 • région désordonnée 1637-1646• hélice α 1645-1662• tours β 1663-1682• feuillet β 1682-1695• région désordonnée 1696-1710

CHM 2971 H2006 28

Solution Q. 10Il faut se rappeler que lors d’une 2ème dérivée, le maximum d’absorbance est un pic négatif et les points d’inflexions de chaque pis d’absorption donnent des pics positifs.

λ

λ

Absorbance ou

absorptivité molaire

2

2

2

2

λε

λ ddou

dAd

CHM 2971 H2006 29

Solution Q. 111- Il est impossible d’analyser ces trois produits en même temps car, leurs spectres d’absorptions ne montrent pas trois pics distincts et suffisamment bien séparés. 2- Il faut des λ où la différences d’absorption est maximale (plus précisément la différence d’absorptivité molaire) et se situer à des maximum d’absorption pour tous les analytes.

(1 et 2) Encore là, le problème se pose, les spectres sont trop semblables(1 et 3) 1- 230 ou 255 nm 3- 315 ou 380nm optimal pour 255 /380(2 et 3) 2- 230 ou 260 nm 3- 315 ou 380nm optimal pour 260 / 380

123

255

260

315

365

380

320

230

3- Il serait possible d’analyser ces trois produits simultanément par spectroscopie différentielle. La région la plus plausible serait celle entre 230-280 nm puisque les pics y sont les moins larges. Rappelez-vous qu’il y a discrimination des pics larges en spectroscopie différentielle ce qui diminuerait le rapport S/N.

CHM 2971 H2006 30

Solution Q. 121- Il s’agit de la quatrième dérivée puisque les maximums d’absorption donnent des pics positifs dans le spectre différentiel. Les λMAX de A et C ne concordent pas exactement avec les maximum de la 4ème dérivée; c’est un inconvénient de la spectroscopie différentielle.

3- A; 0,24 B; 0,4 C;0,19

4-a) x; la longueur d’onde, y; la quatrième dérivées de l’absorbance, m; la sensibilité (la pente) de l’étalonnage par la méthode différentielle.

b) x; ce sont les longueurs d’ondes balayées lors de l’acquisitions du spectre, y; la valeur de la dérivées telle que calculée par l’algorithme Savitsky-Golay, m; obtenue suite à une régression linéaire sur les points d’analyses de solution étalons.

c) [C]=(y-b)/m=4,8x10-5 M330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430

-0,5

-0,4

-0,3

-0,2

-0,1

0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

330 340 350 360 370 380 390 400 410 420 4300

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

A

B

C

mA.

U.

λ

4

4

λdAd

λ

A

B

C

[ ] bCld

AdbCmd

Adbmxy +=≡+=≡+= ][4

4

4

4

ελλ

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Solution Q. 13

UV-Vis Fluorescence Infrarouge

- UV-Vis et IR. La mesure effectué est celle de la quantité d’énergie absorbée par rapport àcelle qui a été fournie.- Florescence. La mesure effectué est celle de l’intensité de la radiation émise: la quantitéd’énergie réémise suite à l’absorption de la radiation excitatrice.- IR. Majoritairement, c’est l’excitation vibrationnelle (mais aussi l’excitation rotationnelle) des liens chimiques qui est observé en spectroscopie infrarouge. Ces excitations proviennent des électrons de l’état fondamental qui se déplacent dans leurs états vibrationnels et rotationnels permis.

hν

CHM 2971 H2006 32

Poudre

Complexes inorganiques

Films

Granuliométrie

Analyse quantitative

IR moyen

IR lointain

IR proche

Réflexion totale

Réflexion totale atténuée

Réflexion diffuse

Photoacoustique

12 800 – 4000 cm-1

4000 – 200 cm-1

200 – 10 cm-1

Solution Q. 14

CHM 2971 H2006 33

Solution Q. 15Vous cherchez à doser la phénylalanine et la tyrosine dans un échantillon alimentaire par spectroscopie infrarouge. Comment vous sera-t-il possible de distinguer entre les patrons spectroscopique de ces deux acides aminés? Spécifiez deux signaux caractéristiques (en bleu). Les spectres des deux a.a. sont les suivants.

CHM 2971 H2006 34

3203 cm-1

O-H stretching alcool

746 cm-1 et 699 cm-1

balancement C-Haromatique monosubstitué

803 cm-1 torsion C-Haromatique disubstitué (para)

1609 cm-1

élongation N-H

1562 cm-1

élongation N-H ou C-H

3300-2500 cm-1

O-H stretching acide

3300-2500 cm-1

O-H stretching acide

~3400 cm-1

N-H élongation 1250-1360 cm-1

C-N élongation

1250-1360 cm-1

C-N élongation

1591 cm-1

élongation N-H ou CH

1495 cm-1

vibration aromatique

1513 cm-1

vibration aromatique

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