La spectroscopie infrarouge étudie l'interaction de la lumière infrarouge avec les molécules. Elle peut être évaluée de trois manières : l'absorption, l'émission et la réflexion. Cette technique est couramment utilisée en chimie organique et inorganique. Les chimistes l'utilisent pour identifier les groupes fonctionnels dans les molécules. La spectroscopie infrarouge mesure les vibrations des atomes. L'émetteur infrarouge émet en continu de la lumière infrarouge, tandis que le récepteur infrarouge détecte en permanence la lumière réfléchie. Si la lumière est réfléchie par un objet situé devant lui, le récepteur infrarouge la détecte. C'est ainsi que l'objet est détecté par le capteur infrarouge. La plage d'absorption infrarouge habituelle pour les liaisons covalentes est de 600 à 4 000 cm-1. Le graphique illustre les régions du spectre où les types de liaisons suivants absorbent généralement. Par exemple, une bande nette à 2 200-2 400 cm-1 pourrait suggérer la présence d'une triple liaison C-N ou C-C. Bien que les molécules d'hydrocarbures ne comportent que des liaisons C-H et C-C, les spectres infrarouges produits par l'étirement et la flexion C-H fournissent une mine d'informations. Chez les alcanes, qui présentent un nombre extrêmement limité de bandes, chaque bande du spectre peut être attribuée.
• Allongement C–H de 3 000 à 2 850 cm-1
• Courbure ou cisaillement C–H de 1 470 à 1 450 cm-1
• Roche C–H, méthyle de 1 370 à 1 350 cm-1
• Roche C–H, méthyle, observée uniquement dans les alcanes à longue chaîne, de 725 à 720 cm-1
Dans les composés alcènes, chaque bande du spectre peut être attribuée :
• Allongement C=C de 1 680 à 1 640 cm-1
• Allongement =C–H de 3 100 à 3 000 cm-1
• Courbure =C–H de 1 000 à 650 cm-1
Chez les alcynes, chaque bande du spectre peut être attribuée :
• Allongement –C≡C– de 2 260 à 2 100 cm-1
• Allongement –C≡C–H de 3 330 à 3 270 cm-1
• Inflexion –C≡C–H de 700 à 610 cm-1
Chez les composés aromatiques, chaque bande du spectre peut être attribuée :
• Allongement C–H de 3 100 à 3 000 cm-1
• Harmoniques faibles de 2 000 à 1 665 cm-1
• Allongement C–C (dans le cycle) de 1 600 à 1 585 cm-1
• Allongement C–C (dans le cycle) de 1 500 à 1 400 cm-1
Notez que cette fréquence est légèrement supérieure à celle de l’allongement –C–H chez les alcanes. C’est un outil très utile pour interpréter les spectres IR. Seuls les alcènes et les aromatiques présentent un étirement C–H légèrement supérieur à 3000 cm-1.
Groupes fonctionnels contenant la liaison C-O : Les alcools présentent des absorptions IR associées aux vibrations d’étirement O-H et C-O.
• Étirement O–H, liaison hydrogène : 3 500-3 200 cm-1
• Étirement C–O : 1 260-1 050 cm-1 (s)
La bande de vibration d’étirement du carbonyle C=O des cétones aliphatiques saturées est la suivante :
• Étirement C=O – cétones aliphatiques : 1 715 cm-1
• Cétones α, β-insaturées : 1 685-1 666 cm-1
Si un composé est suspecté d’être un aldéhyde, un pic apparaît toujours vers 2 720 cm-1, souvent en épaulement, juste à droite des étirements C–H des alkyles. • Allongement H–C=O de 2830 à 2695 cm-1
• Allongement C=O : aldéhydes aliphatiques de 1740 à 1720 cm-1 ; aldéhydes α, β-insaturés de 1710 à 1685 cm-1
L’allongement carbonyle C=O des esters apparaît :
• Allongement C=O : aliphatique de 1750 à 1735 cm-1 ; α, β-insaturés de 1730 à 1715 cm-1
• Allongement C–O de 1300 à 1000 cm-1
L’allongement carbonyle C=O d’un acide carboxylique apparaît sous la forme d’une bande intense de 1760 à 1690 cm-1. La position exacte de cette large bande varie selon que l’acide carboxylique est saturé ou insaturé, dimérisé ou possède une liaison hydrogène interne. • Allongement O–H de 3 300 à 2 500 cm-1
• Allongement C=O de 1 760 à 1 690 cm-1
• Allongement C–O de 1 320 à 1 210 cm-1
• Courbure O–H de 1 440 à 1 395 et 950 à 910 cm-1
Composés organiques azotés
• Allongement asymétrique N–O de 1 550 à 1 475 cm-1
• Allongement symétrique N–O de 1 360 à 1 290 cm-1
Composés organiques contenant des halogènes : Les halogénures d’alkyle sont des composés possédant une liaison C–X, où X est un halogène : brome, chlore, fluorène ou iode.
• Allongement C–H (-CH2X) de 1 300 à 1 150 cm-1
• Allongements C–X (généraux) de 850 à 515 cm-1
La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR) est une technique permettant d'obtenir des spectres infrarouges. La lumière infrarouge traverse un interféromètre avant de traverser l'échantillon (ou inversement). Un miroir changeant, intégré à l'appareil, modifie la distribution de la lumière infrarouge traversant l'interféromètre. Un « interférogramme » est un signal enregistré directement qui montre le flux lumineux en fonction de la position du miroir. La transformée de Fourier est une technique de traitement de données qui convertit les données brutes en le résultat attendu (le spectre de l'échantillon) : le flux lumineux en fonction de la longueur d'onde infrarouge (ou, de manière équivalente, du nombre d'onde). Comme indiqué précédemment, le spectre de l'échantillon est toujours comparé à un étalon.
L'approche « dispersive » ou « monochromateur à balayage » est une autre méthode d'obtention de spectres. Cette méthode consiste à irradier l'échantillon successivement avec différentes longueurs d'onde uniques. L'approche dispersive est plus répandue en spectroscopie UV-Vis, mais elle est moins utile dans l'infrarouge que la technique FTIR. L'une des raisons pour lesquelles la FTIR est privilégiée est connue sous le nom d'« avantage de Fellgett » ou « avantage multiplex ». L'information à toutes les fréquences est capturée simultanément, ce qui améliore à la fois la vitesse et le rapport signal/bruit. Un autre avantage est connu sous le nom d'« avantage de débit de Jacquinot » : une mesure dispersive doit détecter des niveaux de lumière nettement inférieurs à ceux d'une mesure FTIR. Bien qu'elle présente divers avantages et inconvénients, la quasi-totalité des spectromètres infrarouges modernes sont des équipements FTIR.