C'est une division de la chimie analytique qui s'occupe de déterminer la structure du composé chimique analysé, y compris les atomes qu'il contient et la façon dont ils sont liés. Il couvre un ensemble de techniques qui permettent l'acquisition de telles informations. Nous réalisons souvent une gamme complète d'analyses structurales si nous synthétisons un nouveau composé, afin de confirmer la structure possible, mais aussi pour confirmer les produits supposés lors de la réaction chimique. Les techniques les plus fiables sont les analyses spectrales, qui sont de telles analyses qui donnent un résultat sous la forme de spectres de relations particulières. Ce type de représentations graphiques permet de lire les types d'éléments existant dans l'échantillon, les énergies de liaison et le système des molécules et de leurs atomes. Un grand avantage des analyses spectrales est le fait que même une quantité infime de la substance suffit pour mener une expérience. Les techniques les plus précises utilisées en analyse structurale sont les suivantes : spectroscopie par résonance magnétique nucléaire, spectroscopie infrarouge, spectroscopie UV-Vis, cristallographie aux rayons X, spectrométrie de masse, spectroscopie Raman et microanalyse.
Spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN)
Lors de la mesure, nous utilisons un rayonnement électromagnétique dans la gamme de 60 à 900 MHz, qui transporte une petite partie de l’énergie. Cela permet d’exciter des transitions entre différents niveaux qui ont une faible barrière d’énergie. Ceci est caractéristique des états quantiques, qui sont étroitement liés aux propriétés magnétiques des noyaux des atomes qui construisent les molécules chimiques. Un aspect important de ces propriétés est le spin, qui se reflète macroscopiquement en physique sous la forme de moment cinétique. Si nous prenons, par exemple, un proton avec une charge positive, qui a aussi un spin, le mouvement de la charge est totalement ordonné, ce qui à son tour reflète un flux de courant macroscopique. Cela s’accompagne toujours de la formation d’un champ magnétique, et le proton lui-même devient une sorte d’aimant. Lorsqu’il n’y a pas de champ magnétique externe, l’orientation spatiale d’un tel dipôle n’a pas d’interrelations; ce est gratuit. Cependant, si nous appliquons un champ magnétique externe, les dipôles se positionneront le long du champ pour former un système ordonné. En fournissant une quantité d’énergie appropriée, il est possible de faire tourner le spin vers des positions spécifiées par rapport aux lignes du champ magnétique externe. Ceci n’est possible que si le nombre quantique magnétique de cette molécule est égal à -½ ou ½ . Pour de tels états quantiques, il est possible d’exciter des transitions d’énergie en utilisant un rayonnement électromagnétique avec l’énergie appropriée. Pour les noyaux qui ont plus de nucléons, nous pouvons également observer des relations entre la structure d’un noyau atomique et son nombre quantique.
- Les noyaux atomiques qui contiennent un nombre pair de protons et de neutrons sont caractérisés par le nombre de spin quantique (I) égal à 0, de sorte que la valeur de spin ne peut être égale qu’à 0. En conséquence, il est impossible d’exciter des transitions d’énergie. Une telle situation existe dans plusieurs isotopes importants pour les analyses de chimie organique : 12 C et 16 Nous ne pouvons pas obtenir de spectres RMN pour de tels isotopes.
- Les noyaux constitués d’un nombre pair de nucléons d’un type et d’un nombre impair de nucléons d’un autre type ont un nombre de spin quantique de ½ ou son multiple. Ces noyaux comprennent 13 C, 15 N, 19 F et 31 P, et ils se comportent de la même manière que les protons. Ces isotopes, dont on peut obtenir le spectre RMN, sont extrêmement précieux pour la chimie analytique.
- Si un noyau contient un nombre impair de protons et de neutrons, le nombre de spin quantique est égal à la quantité totale. L’exemple le plus important est le noyau de deutérium 2. Cela permet de l’utiliser dans des solvants, et par conséquent son signal de résonance est un signal de stabilisation de champ et d’étalonnage d’échelle pour les spectromètres RMN.
L’interprétation spectrale nous permet, selon le type de RMN, de déterminer des informations précieuses, par exemple la RMN 1 H montre la quantité et le type des groupes de protons présents et suggère les fragments structuraux. Le spectre de RMN 13 C présentera des signaux correspondant à des atomes de carbone en des points caractéristiques de différents groupes.
Spectroscopie infrarouge (IR)
Cette technique permet d’observer les spectres d’oscillation des molécules dans la gamme de 4000 à 400 cm -1 . Une excitation qui permet de former un spectre est liée à la vibration des liaisons et au changement d’angles entre les liaisons, à la fois à l’intérieur et à l’extérieur du plan. Le spectre montre la dépendance de la transmission sur le nombre d’onde, et plus la transmission est faible, plus l’absorption est intense. Les bandes d’absorption visibles dans le spectre sont spécifiques à la vibration des liaisons, selon la gamme spectrale :
- une zone inférieure à 1500 cm -1 peut inclure des vibrations d’extension de CO, CN et CC ainsi que des vibrations de déformation,
- la plage de 2 000 à 1 500 cm -1 comprend l’extension des vibrations des doubles liaisons C=O, C=N, C=C,
- les vibrations d’extension des triples liaisons sont visibles dans la plage de 2500 à 2000 cm -1 ,
- la plage de 4 000 à 2 500 cm -1 montre l’extension des vibrations des liaisons OH, NH et CH.
L’interprétation spectrale permet d’identifier les groupements fonctionnels présents dans la structure et de déterminer la structure générale du composé, y compris son aromaticité et sa saturation éventuelle.
Spectroscopie UV-Vis
Cette méthode utilise un spectre d’irradiation électromagnétique dans la gamme de 200 à 780 nm. Sa base théorique est l’absorption d’énergie dans le domaine ultraviolet, qui équivaut aux transitions électroniques de l’état basique à l’état excité. Elle est quantifiée, ce qui signifie qu’elle correspond exactement à la différence entre les niveaux d’énergie. Plus la différence est petite, plus la longueur d’onde du rayonnement absorbé est longue. Le spectre est composé de bandes d’absorption et présenté comme la relation de l’absorbance (A) à la longueur d’onde (λ). La spectroscopie UV-Vis est généralement utilisée pour confirmer ou infirmer la présence de chromophores, c’est-à-dire de groupes d’atomes capables d’absorber des électrons. Parfois, cela aide aussi à déterminer la position relative de ces groupes.
Spectrométrie de masse (MS)
Cette méthode nous permet d’examiner les substances à l’aide du spectre des masses d’atomes et de molécules contenues dans la substance. Ils subissent une ionisation en phase gazeuse puis sont séparés en fonction du rapport masse/charge ionique. Ayant le spectre dérivé de l’analyse MS, nous pouvons déterminer la valeur des masses et le contenu relatif des ingrédients de la substance testée. La méthode permet également d’identifier différents fragments de la structure. La fragmentation des molécules est réalisée par des décompositions consécutives des liaisons avec la plus faible énergie. L’intensité des faisceaux d’ions résultants dépend directement de la durabilité des cations en cours de formation et de la vitesse des étapes de fragmentation ultérieures. L’utilisation de cette technique vise à déterminer la masse moléculaire, la composition chimique et la conception structurelle des particules, la pureté de la substance et l’identification des contaminants. Ses avantages incluent la précision, un large éventail d’applications et une résolution au niveau de plusieurs unités de masse atomique.
