Cours de RMN

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 détecter les noyaux atomiques et indique dans quel
type d’environnement chimique ils se trouvent dans la molécule
H
H
H
H
O
H
H
H
H
La RMN du proton peut différencier les
hydrogènes de couleurs différentes
Spectre RMN = empreinte digitale d’une molécule
Plan
I.
Principe
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 12C : I=0
Spin de 13C: 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
I.
Principe
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 B0 : 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 B0
ΔE = ћγB0
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 B0=1,4 T)
Plan
I.
Principe
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 ћγB0
- ½ ћγB0
Energie à fournir: ΔE = ћγB0
Or ΔE = hν0 avec ν0 la fréquence de l’onde EM
D’où : ν0 = γβ0/2π
ν0 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 B0, et du noyau étudié.
 Elle est de l’ordre de la centaine de MHz
 Exemple : pour H, et B0=9,4T, ν0 = 400 MHz
Domaine RMN
Plan
I.
Principe
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 B0
 Champ magnétique de fréquence variable ν appliqué.
 Lorsque ν= ν0 (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
I.
Principe
1.
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3.
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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
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
I.
Principe
1.
2.
3.
4.
II.
Notion de spin nucléaire
Levée de dégénérescence
Résonance
Mise en œuvre expérimentale
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
B0
Création d’un champ magnétique qui
s’oppose au champ magnétique qui lui a donné
naissance = phénomène d’INDUCTION
Be-
Déplacement chimique
L’environnement des noyaux constitue un écran magnétique par rapport au
champ extérieur appliqué B0.
Le champ effectif ressenti par le noyau est
donc plus faible que Bo, soit :
Beffectif = 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:νeff = ν0(1-σ)
Conclusion : autant de fréquences absorbées qu’il y a de noyaux ayant un
environnement différent
Echelle δ
 Echelle de fréquence peu pratique car dépendante de B0 (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.
ν0=B0γ/2π : fréquence de fonctionnement du spectro.
νréf : la fréquence de résonance d’une référence interne, introduite avec l’échantillon.
On utilise couramment le TMS (tétraméthylsilane : Si(CH3)4), très blindé, résonne à
fréquence très faible. Par définition δ(TMS) =0 ppm
grandeur indépendante de l’appareil utilisé (par B0), et caractéristique d’un type
de noyaux dans un environnement chimique donné (valeur tabulée).
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 B0
à l’extérieur du cycle
Protons très déblindés
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I.
Principe
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
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 CH2)
Le pic à 2,43 ppm correspond à : 2*8/56 = 1 proton (proton de OH)
Notion de protons équivalents
Des protons équivalents sont échangeables par des opérations de
symétrie (plan de symétrie, axe de rotation…)
Astuce:
• Visualiser H1 et H2 comme étant deux éléments différents
•Représenter la molécule obtenue en inversant H1 et H2.
•Comparer les deux molécules obtenues
•Si elles sont diastéréoisomères, les deux protons ne sont pas équivalents. Sinon oui.
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Principe
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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
Couplage spin-spin
Responsable du motif des signaux = multiplicité : singulet, doublet,
triplet…
Origine: interaction avec le spin des noyaux voisins
Exemple: interaction de deux protons Ha et Hb
B0
C
C
H
H
b
Couplage spin-spin
blindage
déblindage
b
B0
B0
b
Du fait de l’interaction avec Hb, Ha
présente deux fréquences de résonance
: doublet
E
J = constante de couplage
(indépendante de B0)
Ordre de grandeur: quelques Hz.
J
Couplage spin-spin
Exemple: cas du groupement –CH2-CH3
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 13C; 19F; 31P…
 RMN 2D (ci-contre):
Etude de structures complexes
(protéines)
 IRM