Résonance Magnétique Nucléaire

Introduction

L’appareil

(100 000€ à 11M €)

Le résultat: spectre RMN



Introduction

La spectroscopie RMN sert à

identifier la structure

des molécules.

 La RMN permet de type

détecter les noyaux atomiques d’environnement chimique

et indique dans quel ils se trouvent dans la molécule H H H H H O H H H

La RMN du proton peut différencier les hydrogènes de couleurs différentes

Spectre RMN = empreinte digitale d’une molécule

Plan

Principe I.

1.

2.

3.

4.

Notion de spin nucléaire Levée de dégénérescence Résonance Mise en œuvre expérimentale

II. Application à la détermination de structures

1.

2.

3.

Déplacement chimique Courbe d’intégration Couplage spin-spin

Notion de spin nucléaire

Le noyau possède un spin, noté I Spin du proton: I=1/2 Spin de 12 C : I=0 Spin de 13 C: I=1

Seuls les noyaux de spin non nul sont actifs en RMN

 Est associé à ce spin un

moment magnétique nucléaire μ=γI (rapport gyromagnétique)

le noyau se comporte comme un

petit aimant

.

•

En l’absence de champ magnétique:

orientation quelconque des aimants

:

Plan

Principe I.

1.

2.

3.

4.

Notion de spin nucléaire

Levée de dégénérescence

Résonance Mise en œuvre expérimentale

II. Application à la détermination de structures

1.

2.

3.

Déplacement chimique Courbe d’intégration Couplage spin-spin

Levée de dégénérescence

En présence d’un champ magnétique B 0 :

deux orientations

possibles: 

Parallèle

au champ 

Antiparallèle

au champ Ces deux états donnent naissance à

deux niveaux d’énergie

(effet Zeeman) : L’écart entre les deux niveaux d’énergie est proportionnel au champ B 0

ΔE = ћγB

0

Occupation des niveaux d’énergie Statistiquement

(équation de Boltzmann), le niveau d’énergie le plus bas est davantage peuplé

Mais ratio très faible: N(+ ½)/N(- ½)=1,000006

(pour B 0 =1,4 T)

Plan

Principe I.

1.

2.

3.

4.

Notion de spin nucléaire Levée de dégénérescence

Résonance

Mise en œuvre expérimentale

II. Application à la détermination de structures

1.

2.

3.

Déplacement chimique Courbe d’intégration Couplage spin-spin

Résonance

La RMN consiste à réaliser une

transition entre les deux niveaux d’énergie

grâce à une

onde électromagnétique de fréquence ν

.

E E Excitation hν ½ ћγB 0 - ½ ћγB 0

Energie à fournir:

ΔE = ћγB 0

Or

ΔE = hν 0 avec ν 0 la fréquence de l’onde EM

D’où :

ν 0 = γβ 0 /2π ν 0 est la fréquence que doit avoir l’onde EM pour qu’il y ait transition: fréquence de résonance

Résonance

 La

fréquence de résonance dépend de B 0

, et du noyau étudié.

 Elle est de l’ordre de la

centaine de MHz



Exemple : pour H, et B 0 =9,4T,

ν 0 = 400 MHz

Domaine RMN

Plan

Principe I.

1.

2.

3.

4.

Notion de spin nucléaire Levée de dégénérescence Résonance

Mise en œuvre expérimentale II. Application à la détermination de structures

1.

2.

3.

Déplacement chimique Courbe d’intégration Couplage spin-spin

Mise en œuvre expérimentale

    Echantillon placé dans un

champ magnétique uniforme et constant B 0

Champ magnétique de

fréquence variable

ν appliqué.

Lorsque ν= ν 0 (fréquence propre), il y a transition (résonance)

.

Lors du

retour à l’équilibre

, le basculement des moments magnétiques de spin

induit un courant électrique

, enregistré, puis amplifié.

Mise en œuvre expérimentale

Le champ magnétique doit être très intense pour que la méthode soit précise: 10- 15 Tesla

Plan

Principe I.

1.

2.

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Notion de spin nucléaire Levée de dégénérescence Résonance Mise en œuvre expérimentale

II. Application à la détermination de structures

1.

2.

3.

Déplacement chimique Courbe d’intégration Couplage spin-spin

Spectre RMN

Pour

identifier une structure

à partir d’un spectre, on se sert de: •

Le déplacement chimique (en ppm) : lié à la fréquence des signaux

•

La courbe d’intégration : liée au nb de H concernés par un signal

•

La multiplicité des signaux : forme des pics (doublet, triplet….)

Plan

Principe I.

1.

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Notion de spin nucléaire Levée de dégénérescence Résonance Mise en œuvre expérimentale

II.

Application à la détermination de structures 1.

2.

3.

Déplacement chimique

Courbe d’intégration Couplage spin-spin

Déplacement chimique

Un spectre RMN présente différents pics : tous les protons n’ont pas la même fréquence de résonance. Pourquoi?

Chaque proton a un

environnement chimique différent Electrons

autour du noyau

mis en mouvement par le champ magnétique

Charge en mouvement =

courant électrique B

Création d’un

champ magnétique

qui

s’oppose

au champ magnétique qui lui a donné naissance =

phénomène d’INDUCTION 0 Be -

Déplacement chimique

L’

environnement des noyaux

constitue un

écran magnétique

par rapport au champ extérieur appliqué B 0 .

Le

champ effectif ressenti

par le noyau est donc

plus faible que Bo

, soit :

B effectif = Bo (1 -σ)

Où σ est une constante positive appelée

constante d’écran

ou

constante de blindage

qui caractérise l’environnement du noyau.

Fréquence de résonance:

ν eff = ν 0 (1-σ) Conclusion : autant de fr é quences absorb é es qu ’ il y a de noyaux ayant un environnement différent

Echelle δ

 

Echelle de fréquence peu pratique car dépendante de B 0

(et donc de l’appareil utilisé) Définition d’une nouvelle échelle:

déplacement chimique

δ: Ce nombre sans dimension s’exprime en

partie par million, ppm

.

ν 0 =B 0 γ/2π : fréquence de fonctionnement du spectro.

ν réf : la fréquence de résonance d’une On utilise couramment le

TMS

fréquence très faible. Par définition

référence interne

, introduite avec l’échantillon.

(tétraméthylsilane : Si(CH

δ(TMS) =0 ppm

3 ) 4 ), très

blindé

, résonne à grandeur indépendante de l ’ appareil utilis é (par B 0 ), et

de noyaux dans un environnement chimique donn é caract é ristique d

(valeur tabul é e).

’ un type

Echelle δ

 Les noyaux

appauvris

en électrons (

effets –I, -M

) sont dits

déblindés : δ grand

 Les noyaux

riches

en électrons (

effets +I, +M

) sont dit

blindés : δ petit

Echelle δ

Cas particulier des protons aromatiques :

Courant de cycle : création d’un champ magnétique qui renforce le champ B 0 à l’extérieur du cycle

Protons très déblindés

Plan

Principe I.

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Notion de spin nucléaire Levée de dégénérescence Résonance Mise en œuvre expérimentale

II. Application à la détermination de structures

1.

2.

3.

Déplacement chimique

Courbe d’intégration

Couplage spin-spin

Courbe d’intégration

Comment prévoir le nombre de signaux sur un spectre?

: Autant de signaux que de protons ayant un environnement chimique différent

protons « équivalents »,

ou

« isochrones »

L’absorption pour un signal est proportionnelle au nombre de noyaux entrant en résonance à la fréquence de ce signal.

Courbe d’intégration = courbe en palier La hauteur du palier est proportionnelle au nombre de protons du signal

Courbe d’intégration

Détermination du nombre n de H concernés par un signal n= (h/H). N

H : hauteur totale de la courbe d’intégration (ici : 35 + 14+7 = 56 mm) h : hauteur du palier étudié (par exemple: 35 mm) N : le nombre de protons total de la molécule (ici : 8)

Le pic à 7,28 ppm correspond à : 35*8/56 = 5 protons (ce sont les 5 H aromatiques) Le pic à 4,58 ppm correspond à : 14*8/56 = 2proton s ( protons du CH 2 ) Le pic à 2,43 ppm correspond à : 2*8/56 = 1 proton (proton de OH)

Notion de protons équivalents

Des protons équivalents sont

symétrie échangeables par des opérations de

(plan de symétrie, axe de rotation…) •

Astuce:

Visualiser H 1 et H 2 comme étant deux éléments différents • Représenter la molécule obtenue en inversant H 1 et H 2 .

• Comparer les deux molécules obtenues • Si elles sont diastéréoisomères, les deux protons ne sont pas équivalents. Sinon oui.

Plan

Principe I.

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Notion de spin nucléaire Levée de dégénérescence Résonance Mise en œuvre expérimentale

II. Application à la détermination de structures

1.

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Déplacement chimique Courbe d’intégration

Couplage spin-spin

Couplage spin-spin

Responsable du

motif des signaux = multiplicité

triplet… : singulet, doublet, Origine:

interaction avec le spin des noyaux voisins Exemple

: interaction de deux protons H a et H b

B 0

C C

H H b

Couplage spin-spin

B 0 blindage b déblindage b B 0 E

Du fait de l’interaction avec H :

doublet

b , H a

présente deux fréquences de résonance J = constante de couplage

(indépendante de B 0 ) Ordre de grandeur:

quelques Hz.

J

Couplage spin-spin

Exemple: cas du groupement –

CH 2

-

CH 3

Couplage spin-spin



Règle des n+1 Lorsqu’un proton H est couplé avec n protons équivalents, son signal est éclaté en (n+1) raies

 Les intensités des pics sont données par le

triangle de Pascal

Couplage spin-spin : motifs usuels

Couplage avec des protons non équivalents

Conclusion: dépouillement d’un spectre

1.

Exploitation de la

courbe d’intégration

: détermination du nombre de protons par pics.

2.

Etude de la

multiplicité

des signaux. Reconnaître les motifs courants.

3.

Se servir

des tables de déplacements chimiques

pour attribuer les signaux restants.

Pour aller plus loin

 RMN 13 C; 19 F; 31 P…  RMN 2D (ci-contre): Etude de structures complexes (protéines)  IRM