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Analyse spectrale. Comment exploiter un spectre RMN du proton ? Thème : Observe

Analyse spectrale. Comment exploiter un spectre RMN du proton ? Thème : Observer Type de ressources : - Des pistes d’activités - Des spectres RMN illustrant les notions du programme Notions et contenus : Spectres RMN du proton Identification de molécules organiques à l’aide : - du déplacement chimique ; - de l’intégration ; - de la multiplicité du signal : règle des (n+1)-uplets. Compétences exigibles - Relier un spectre RMN simple à une molécule organique donnée, à l’aide de tables de données ou de logiciels. - Identifier les protons équivalents. Relier la multiplicité du signal au nombre de voisins. Compétences préambule cycle terminal Démarche scientifique - Mettre en œuvre un raisonnement - Formuler des hypothèses pertinentes - Confronter des hypothèses à des résultats expérimentaux - Présenter les résultats obtenus Compétences sur « Extraire et exploiter » Extraire des informations - Tableaux de données - Spectres Exploiter des spectres Prérequis « Associer un groupe caractéristique à une fonction dans le cas des alcool, aldéhyde, cétone, acide carboxylique, ester, amine, amide » « Reconnaître les groupes caractéristiques dans les alcool, aldéhyde, cétone, acide carboxylique, ester, amine, amide » « Connaître les règles de nomenclature de ces composés ainsi que celles des alcanes et des alcènes» « Utiliser le nom systématique d’une espèce chimique organique pour en déterminer les groupes caractéristiques et la chaîne carbonée ». Nature de l’activité Exploitation de spectres RMN. Résumé : Plusieurs niveaux de progression - Niveau 1 : Activité de découvertes de la RMN. A partir de différents spectres RMN du proton fournis (feuille annexe ou site internet) et de tables de donnés, découvrir pas à pas la démarche à mettre en œuvre pour l’exploitation d’un spectre RMN ainsi que la signification du vocabulaire associé. - Niveau 2 : Exploitation de spectres. - Niveau 3 : Analyse d’une synthèse : identification du produit formé. Mots clefs : spectre RMN, RMN du proton ; spectroscopie ; groupes fonctionnels ; protons équivalents ; courbe intégrale ; multiplets ; déplacement chimique. Académie où a été produite la ressource : TOULOUSE Remarque : Tous les spectres utilisés dans ce document sont extraits du site « spectraschool » (cf. bibliographie). Un PowerPoint animant les différentes activités proposées dans ce document est disponible sur le site de l’académie de Toulouse. Sciences-Physiques Analyse spectrale Table des matières 1. Activité 1 : Comment analyser un spectre RMN ? ..................................................................... 3 1. Comment se présente un spectre RMN ? ...................................................................................... 3 2. Qu’appelle-t-on protons équivalents ?............................................................................................ 3 3. Que représente le déplacement chimique ? .................................................................................. 4 4. Quelles sont les informations données par la courbe d’intégration ? ........................................... 4 5. Quelles sont les informations données par la multiplicité du signal ? ............................................ 5 6. Annexe 1 ........................................................................................................................................ 6 7. Annexe 2 ........................................................................................................................................ 7 8. Annexe 3 ........................................................................................................................................ 8 2. Activité 2 : Comment relier un spectre RMN à une molécule organique ? ............................. 8 1. Comment relier un spectre à une molécule donnée ? ................................................................... 9 2. Comment relier une molécule donnée à un spectre ? ................................................................. 10 3. Annexe 4 ...................................................................................................................................... 11 4. Etude d’une molécule à caractère biologique : le paracétamol ................................................... 12 5. Annexe 5 : spectre RMN du paracétamol .................................................................................... 13 3. Activité 3 : Etude du mécanisme d’une réaction...................................................................... 14 4. Tables de données ...................................................................................................................... 16 5. Bibliographie et sitographie ....................................................................................................... 20 Analyse spectrale en RMN 1. Activité 1 : Comment analyser un spectre RMN ? 1. Comment se présente un spectre RMN ? Faire apparaître sur le spectre RMN ci-dessous les termes suivants : déplacement chimique, référence (TMS), courbe d’intégration, massif, pic et multiplet 2. Qu’appelle-t-on protons équivalents ? Information : Des protons équivalents sont des protons qui possèdent un environnement chimique identique dans une molécule. Les spectres RMN des 3 molécules suivantes sont donnés en annexe 1 : éthanoate d’éthyle ; 2-méthylpropan-2-ol et l’éthanal. Questions - Ecrire les formules développées de ces 3 molécules (il est important de bien faire apparaitre les différents H) - Identifier les protons équivalents pour les 3 molécules étudiées. - Peut-on faire un lien entre le nombre de massifs ou pics et le nombre de groupes de protons (équivalents ou individuel) sur les spectres RMN proposés en annexe 1 ? - Peut-on associer pour chaque cas les massifs à ces groupes de protons sans informations supplémentaires ? - Remarque : combien de pic(s) observerait-on dans le spectre de la propanone (acétone) ? justifier votre réponse. 3. Que représente le déplacement chimique ? Information : Le déplacement chimique d’un proton, δ, est caractéristique de son environnement. Tous les protons équivalents apparaitront donc avec un même déplacement chimique, La valeur de ce déplacement chimique, δ exprimé en ppm, donne donc une information quant au groupement chimique auquel est associé le proton étudié. On peut trouver les valeurs de δ dans des tables de données. Extrait des tables de données : déplacement chimique de quelques types de protons Type de proton δ /ppm Type de proton δ /ppm R-CH3 0,8 – 1,2 R-OH 0,5 -6 R –CH2-R 1,2 – 1,4 R-CO-H 9,5 -9,6 R – CH2 -OH 3,3 – 3,4 -CH-O-COR (CH3 à CH) 3,7 -4,8 R-CO-CH3 2,1 -2,6 -CH-COOR (CH3 à CH) 2,0 -2,4 Questions : Déterminer les valeurs des déplacements chimiques des différents massifs pour les 3 molécules précédentes. Vérifier que les valeurs sont conformes à celles de l’extrait de table de données proposé ci-dessus. 4. Quelles sont les informations données par la courbe d’intégration ? Données Les spectres RMN et les courbes d’intégration sont donnés en annexe 2 pour les 3 molécules suivantes : 2-méthylpropan-2-ol, éthanal et éthanol Questions - En utilisant la courbe d’intégration et sans utiliser la table de données, identifier les différents pics. Schéma explicatif : h1/h2 = nb protons pic 1/ nb protons pic 2 Information : L’aire sous les pics est proportionnelle au nombre de protons équivalents correspondant à ce pic. La courbe d’intégration permet de calculer le rapport des aires sous le pic. Le rapport des hauteurs h (équivalent au rapport des aires) est égal au rapport du nombre de protons équivalents de chaque signal. 5. Quelles sont les informations données par la multiplicité du signal ? Règle des (n+1)-uplets : n protons équivalents voisins (portés par des carbones adjacents) conduisent à signal constitué de (n+1) pics Nombre de voisins n 1 2 3 Nombre de pics Doublet – 2 pics Triplets – 3 pics Quadruplets – 4 pics allure Questions - Pour les molécules propan-2-ol, de la butanone et du propanoate de méthyle, identifier les protons équivalents et déterminer la multiplicité du signal. - Confronter vos prévisions aux spectres donnés en annexe 3. Définition : Les protons équivalents n’ayant pas d’autres protons dans leur voisinage donnent un signal unique, soit un pic appelé singulet. Lorsque des groupes de protons équivalents sont voisins (par exemple Ha et Hb,), leur influence mutuelle modifie le signal qui apparait sous forme d’un multiplet (pics très rapprochés constituant un massif). 6. Annexe 1 7. Annexe 2 8. Annexe 3 2. Activité 2 : Comment relier un spectre RMN à une molécule organique ? 1. Comment relier un spectre à une molécule donnée ? Parmi les molécules suivantes, laquelle peut correspondre à ce spectre ? Justifier votre raisonnement. Données : table de données des déplacements chimiques + spectre. CH3-CO-CH3 ou CH3-CHO ou CH3-COOH ou CH3-COO-CH3 ou CH3 – CH2 – OH Corrigé CH3-CO-CH3 : tous les hydrogènes sont ici équivalents, un seul pic. CH3-COOH : déplacement du COOH entre 8 et 12 ppm. CH3-COO-CH3: les deux pics devraient avoir des paliers d’intégration de même hauteur. CH3 – CH2 – OH: ici, il devrait y avoir 3 massifs. CH3-CHO: 2 pics avec δ(-CHO) = 9,9 ppm et δ(CH3-CO-R ) = 2,2 ppm 2. Comment relier une molécule donnée à un spectre ? Parmi les spectres donnés en annexe 4, lequel correspond au 1-bromopropane ? Justifier votre raisonnement. Données : table de données des déplacements chimiques + spectres de différentes molécules non identifiées (cf. document ci-contre). (Pour information du professeur : il s’agit du 1-bromopropane, de la butanone, du 2-méthylpropan-2- ol et de l’éthanol) Corrigé Le spectre (3) correspond au 1-bromopropane (C3H7Br) Il faut 3 massifs puisqu’il y a 3 groupes de protons équivalents, on élimine le spectre (2). Les protons H(a) possèdent 2 voisins équivalents, ils conduisent à un triplet, les protons H(c) possèdent 2 voisins équivalents, ils conduisent à un triplet. Les protons H(b) possèdent (3 + 2) voisins, ils conduisent à un multiplet. Les spectres (1) et (4) sont à éliminer puisqu’ils possèdent un singulet. Attribution des massifs aux groupes de protons équivalents à l’aide des courbes intégrales : Pour le massif (1) à 1 ppm : h1 = 1,5 h2 et h2 = h3. On sait de plus que la molécule possède 7 protons, par conséquent le massif (1) compte pour 3 protons et les 2 autres massifs pour 2 protons. Le massif à 1 ppm correspond aux protons H(a). Le massif (2) correspond aux protons H(b) avec son multiplet et le massif (3) correspond donc au protons H(c) Vérification avec uploads/Management/ analyse-spectrale-rmn-vf.pdf