© e.v. blackburn, 2011 résonance magnétique nucléaire (rmn)

© E.V. Blackburn, 2011

Résonance magnétique nucléaire

(RMN)


Introduction

La RMN est une méthode spectroscopique récente (1950 - 1960) dont le développement et les performances s’accroissent de façon spectaculaire.

La RMN est aujourd’hui, dans le domaine médical, une méthode d’investigation plus précise que les rayons X.

L’imagerie par résonance magnétique d’organes quelconques du corps humain est très efficace pour le diagnostic médical.


Introduction

La spectroscopie infrarouge donne des renseignements sur les groupes fonctionnels d’une molécule organique.

La RMN donne une image du squelette hydrocarboné d’une molécule.

La RMN est basée sur l’absorption d’ondes radio par certains noyaux atomiques des molécules quand celles-ci sont placées dans un champ magnétique.


La résonance magnétique nucléaire

Les noyaux des éléments peuvent être divisés en deux catégories: d’une part qui possèdent un spin et d’autre part ceux qui n’en possèdent pas.

Les noyaux 1H, 13C, 19F et de beaucoup d’atomes possèdent un spin.

Parce qu’ils portent une charge +, ils se comportent donc comme de petits barreaux aimantés.


L’effet d’un champ magnétique

• En l’absence de champ magnétique appliqué, l’orientation de ces moments est aléatoire.

• En présence d’un champ magnétique, les orientations sont soit parallèle soit antiparallèle au champ.

• L’état de spin parallèle est légèrement plus stable que l’état antiparallèle (500 005 - 500 010 : 499 995 - 499 990).


L’effet d’un champ magnétique• Lorsqu’une fréquence radio appliquée à une molécule dans ce champ magnétique fait passer le spin d’un noyau de l’état parallèle à antiparallèle, ce noyau est dit en résonance:

champ magnétique

spin aligné avec le champ spin antiparallèle

h


L’effet d’un champ magnétique

H0

E = h

La différence d’énergie, E, existant entre les deux états de spin dépend de la force du champ extérieur, Ho. Plus le champ est fort, plus grande sera la E:


Schéma de principe de l’appareil de RMN

N S

échantillon

générateur d’ondes radio

détecteur de radiofréquence


L’appareil de RMN

• L’échantillon est exposé à une radiofréquence constante dans un champ magnétique d’intensité variable.

• Lorsque le champ magnétique atteint une intensité spécifique, certains noyaux absorbent de l’énergie et la résonance se manifeste.

• Cette absorption induit un très faible courant électrique, qui circule dans la bobine réceptrice entourant l’échantillon et un pic apparaît.

• Un échantillon est placé dans un tube de verre entre les 2 pôles d’un puissant aimant.


Spectromètre RMN A Transformée de Fourier

• L’appareil envoie sur l’échantillon une radiofréquence de très courte durée (~ 10-5 s).

• Cette impulsion rf excite tous les noyaux en même temps.

• Un ordinateur procède ensuite à un calcul mathématique appelé transformation de Fourier et un spectre RMN est produit.


CH3CH2OH

4.0 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8


Atomes d’hydrogène homotopiques

Il faut remplacer successivement chaque hydrogène par un brome. Si le même composé est obtenu, les hydrogènes remplacés sont chimiquement équivalents ou homotopiques.

H

H

Br

H

H

Br

Ces protons ne sont pas homotopiques!


Atomes d’hydrogène homotopiques

Il faut remplacer successivement chaque hydrogène par un brome. Si le même composé est obtenu, les hydrogènes remplacés sont chimiquement équivalents ou homotopiques.

H

H

H

Br

Br

H

Ces protons sont homotopiques!


Combien de groupes de bandes y a-t-il?

C CH

H

H3C

H3CC C

H

H

Br

H3C

H

H

H

CH3

H

H

OCH3

CH3


L’effet du blindage

La position du pic RMN est contrôlée par le blindage électronique du noyau.

Le proton libre est un noyau qui est exempt de toute perturbation par des facteurs électroniques extérieurs.

Mais les molécules organiques contiennent des noyaux liés de façon covalente et non des protons libres


L’effet du blindageLes hydrogènes liés sont entourés par des couches électroniques dont la densité électronique varie selon:

• la polarité de la liaison

• l’hybridation de l’atome qui y est attaché

• la présence de groupes électrodonneurs ou électroattracteurs


L’effet du blindage

Lorsqu’un noyau entouré d’électrons est soumis à un champ magnétique, les électrons dérivent autour du noyau, créant un petit champ magnétique local s’opposant au champ extérieur.

+

H0

nuageélectroniqueen circulationsous l'influencede H0

champ localinduit quis'oppose à H0


L’effet du blindageLa conséquence est qu’on observe une diminution de l’intensité totale du champ dans voisinage du noyau.

Le noyau est blindé du champ appliqué.

Ainsi la position d’une absorption RMN dépend de la densité électronique autour de l’hydrogène.

Intensité croissante du champ (radiofréquence constante)

faible densitéélectronique blindé


Déplacements chimiques

La position d’une absorption RMN est appelée le déplacement chimique qui dépend de la densité électronique autour de l’hydrogène.

On ajoute un standard interne, le tétraméthylsilane, par rapport auquel les positions des pics dans le spectre sont mesurées:

CH3SiCH3

H3C CH3


Le tétraméthylsilane

Les protons présents dans le TMS sont blindés et résonnent à un endroit qui est éloigné de la zone spectrale habituelle.

Les déplacements chimique sont mesurés (en Hz) par rapport à cette référence.



Ces distances varient selon l’intensité du champ magnétique appliqué.

Les bandes distants de 54Hz à 60MHz sont séparées par 72Hz à 80MHz, 270Hz à 300MHz et par 540Hz à 600MHz.

Les absorptions sont mesurées quant à leur distance par rapport au signal du standard interne.



Pour éviter cette complication, on a été amené à standardiser la fréquence mesurée en divisant la distance du pic par rapport à celui de TMS (en Hz) par la fréquence du spectromètre:

= distance du pic par rapport à celui de (CH3)4Si en Hz

fréquence du spectromètre en MHzppm


Déplacements chimiques caractéristiques

Type d’hydrogène Déplacement chimique – en ppm

alkyle primaire RCH3 0,9alkyle secondaire RCH2R’ 1,3alkyle tertiaire R3CH 1,5allylique C=C-CH3 1,7benzylique ArCH2R 2,2 - 3chloroalcane RCH2Cl 3 - 4bromoalcane RCH2Br 2,5 - 4iodoalcane RCH2I 2 - 4éther RCH2OR’ 3,3 - 4alcool RCH2OH 3,3 - 4,0cétone CH3-C=O 2,2 - 2,7


Déplacements chimiques caractéristiques

Type d’hydrogène Déplacement chimique – en ppm

aldéhyde H-C=O 9 - 10Alcène R2C=CH 4,6 - 5,9aromatique ArH 6,0 - 8,5alcyne RC►CH 2 - 3alcool ROH 4,5 - 9amine RNH2 1 - 5 carboxylique RCO2H 10,5 - 12


Intégration

4.0 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8

L’aire sous un signal de RMN est directement proportionnelle au nombre de protons donnant naissance au signal.

43 mm

21 mm

64 mm


Intégration - C2H6O

4.0 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8

43 + 21 + 64 = 128 mm

43 mm

21 mm

64 mm

128 mm/6 protons = 21 mm/proton

43/21 = 2 protons

21/21 = 1 proton 64/21 = 3 protons


Un problème – C11H16

8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0


Couplage spin-spin – CH3CH2I

3.6 3.5 3.4 3.3 3.2 3.1 3.0 2.9 2.8 2.7 2.6 2.5 2.4 2.3 2.2 2.1 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5

Il y a 2 absorptions principales. Celles-ci sont divisées respectivement en trois et quatre composantes également espacées. Pourquoi?


Couplage spin-spinExaminons une situation plus simple:

Considérons l’absorption par les protons du groupe CH2Br dans l’absence de l’autre H:

un pic

C CH

HBr

H

BrBr


Les protons du groupe CH2Br

Le champ magnétique que ces protons éprouvent à un moment particulier est légèrement augmenté ou diminué par le spin du proton du groupe CHBr2.

C CH

HBr

H

BrBr



Le champ magnétique est augmenté si ce proton vient à ce moment à être aligné avec le champ appliqué.

Ainsi une intensité moindre du champ extérieur est requise et on observe un pic à un champ plus faible.

C CH

HBr

H

BrBr



Le champ magnétique est diminué si ce proton vient à être aligné contre le champ appliqué.

C CH

HBr

H

BrBr

Pour garder la résonance, il faut augmenter le champ extérieur. On observe un pic à un champ plus élevé:


Couplage spin-spin

Le signal est divisé en deux pics:-

Un doublet avec les intensités égales des pics.

C CH

HBr

H

BrBr


Couplage spin-spin

Regardons l’absorption par le proton du groupe -CHBr2. Il est affecté par le spin des deux protons voisins. Il y a 4combinaisons qui sont également possibles pour leurs orientations de spin:

1 : 2 : 1 un triplet

C CH

HBr

H

BrBr


Constante de couplage spin-spin

J J

C CH

HBr

H

BrBr


Couplage spin-spin – CH3CH2I

3.6 3.5 3.4 3.3 3.2 3.1 3.0 2.9 2.8 2.7 2.6 2.5 2.4 2.3 2.2 2.1 2.0 1.9 1.8 1.7 1.6 1.5

Il y a 2 absorptions principales. Celles-ci sont divisées respectivement en trois et quatre composantes également espacées. Pourquoi?


CH3CH2CH3

Son spectre.....

TMS


CH3CH2CH3

7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5


Couplage spin-spin

n protons équivalents diviseront un signal de RMN en n + 1 pics


Le triangle de Pascal

1

1 1

1 2 1

1 3 3 1

1 4 6 4 1

1 5 10 10 5 1

1 6 15 20 15 6 1

Les rapport relatifs des pics sont donnés par le triangle de Pascal:


Constantes de couplage

HH

J = 2-6 Hz

H H

J = 5-14 Hz

C CH

H

C

H

HJ = 2-13 Hz

J = 0-7 Hz

cis - J = 2-15 Hztrans - J = 10-21 Hz


L’échange rapide des protons

R OH

'R OH'

+ R OH'

'R OH

+

Il se produit des échanges rapides de protons lorsque les protons sont liés à O ou à N.

En conséquence le spectromètre ne voit qu’un signal pour ces protons. Il n’y a pas de couplage spin - spin.


C8H9Br

8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0


Degré d’insaturation

degré d’insaturation = (2NC - NX + NN – NH + 2)/2

NC = nombre de carbones

NX = nombre d’halogènes

NN = nombre d’azotes

NH = nombre d’hydrogènes


C6H14O

SDBSWeb: http://www.aist.go.jp/RIODB/SDBS/ 24/7/02


C6H14O

4.0 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0 2.8 2.6 2.4 2.2 2.0 1.8 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4


C8H8O2



C8H8O2

10.5 10.0 9.5 9.0 8.5 8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0


C9H12O



C9H12O

8.0 7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5


C8H11NO



C8H11NO

7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5


Dessinez le spectre de RMN du composé suivant:

CH2CH3

NH CH3


7.5 7.0 6.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5

CH2CH3

NH CH3


Proposez une structure pour le composé qui réponde aux

données suivantes:

C3H4Br2 = 4,19 ppm (2H, singulet) = 5,63 ppm (1H, singulet) = 6,03 ppm (1H, singulet)

© e.v. blackburn, 2011 résonance magnétique nucléaire (rmn)

Documents