a. spin nucléaire e i=1

Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS

PPPeeetttiiittt GGGuuuiiidddeee ppprrraaatttiiiqqquuueee pppooouuurrr lll’’’iiinnnttteeerrrppprrrééétttaaatttiiiooonnn

dddeeesss dddooonnnnnnéééeeesss dddeee ssspppeeeccctttrrrooossscccooopppiiieee RRRMMMNNN

SSSeeerrrvvviiiccceee RRRMMMNNN ddduuu LLLaaabbbooorrraaatttoooiiirrreee dddeee CCChhhiiimmmiiieee dddeee

CCCoooooorrrdddiiinnnaaatttiiiooonnn

I. Aimantation nucléaire

A. Spin nucléaire

1. Propriétés des noyaux atomiques

Un noyau atomique possède quatre propriétés physiques importantes :

Masse, Charge électrique, Magnétisme, Spin.

2. Spin

Electron, neutron, et proton : spin égal à ½.

3. Noyau atomique

Chaque noyau atomique possède un spin nucléaire noté I.

1

H I=1/2

2

H 2 possibilités I=0 (spins

antiparallèles) ou I=1 (spins parallèles), I=1 est l’état le

plus stable 6

Li 7 possibilités

Pour un noyau XA

Z , si :

- A et Z sont pairs I est nul

- A impair I est un demi-entier

- A pair et Z impair I est un entier

On observe un signal de RMN que pour les noyaux qui ont un spin non nul.

I=0

I=1

E


B. Magnétisme

1. Moment magnétique

2. Effet Zeeman – Phénomène de résonance

Moment magnétique intrinsèque :

est la constante de Planck divisé par 2. ( = 1,054 x 10-34 J.s)

La constante appelée rapport gyromagnétiqueest caractéristique de chaque isotope.

Exemple : (1H) = 26,752 x 107 rad.T-1.s-1

(2H) = 4,107 x 107 rad.T-1.s-1

(13C) = 6,728 x 107 rad.T-1.s-1

Moment magnétique nucléaire

Champ magnétique

+

u

Iu

En l’absence de champ magnétique, la distribution des moments magnétiques est isotrope

En présence d’un champ magnétique statique B0, les moments magnétiques des spins se mettent à tourner autour du champ (précession).

Fréquence de Larmor : (Hz) B000 B

Différence d’énergie magnétique E entre une position parallèle et

antiparallèle au champ : = 3,3 x 10-25 J pour un proton dans un champ

magnétique de 11,4 T.

L’énergie thermique disponible à la température ambiante :

= 4,1 x 10-21 J. constante de Boltzmann (1,3806 x 10-23 J.K-1).

0B

Tk k

Différence d’un facteur d’ordre 4 entre l’énergie thermique et magnétique !!


3. Impulsion radiofréquence

L’Aimantation nucléaire longitudinale (// à 0B ) est indétectable.

Basculement de l’aimantation M0 parallèle au champ dans le plan perpendiculaire par

application d’une impulsion radiofréquence (appelée « pulse »). Impulsion radiofréquence

(RF) : champ magnétique oscillant B1 qui a une fréquence et un temps d’application donné.

Angle de basculement : pB 1 . p durée de l’impulsion (de l’ordre de la s), Cas le plus

classique : 2 ou .

Pour p = 10 us, B1 ≈ 0,6 mT


Dans le plan perpendiculaire :

0)(

)sin()(

)cos()(

00

00

tM

tMtM

tMtM

z

x

y

4. Détection du signal RMN

Détection d’un courant électrique oscillant appelé signal RMN ou F.I.D.

(free induction decay).

Signal RMN très faible, nécessite de grande quantité de produit (généralement plusieurs mg)

comparé à d’autres spectroscopies.

5. Phénomènes de relaxation

- Relaxation longitudinale (ou spin-réseau)

)exp(1()( 10 TtMtM z .

T1 constante de temps de relaxation longitudinale


- Relaxation transversale (ou spin-spin)

)exp()sin()(

)exp()cos()(

200

200

TttMtM

TttMtM

x

y

T2 temps de relaxation transversale.

T2 est toujours inférieur ou égal à T1.

6. Evolution de l’aimantation après l’impulsion


7. La transformation de Fourier

En spectroscopie RMN par impulsion, le spectre de fréquence est obtenu par

l’application de la transformée de Fourier (TF) sur le signal temporel (FID) :

En combinant les signaux issus des deux voies de détection (signaux en quadrature), le

résultat de la TF apparaît sous la forme :

)(41

)(2

)(41)(

'2*

2

2

'*

2

'2*

2

2

*

2'

T

Ti

T

TF

)()( '' iDA

Signaux de forme Lorentziènne : A partie

réelle en absorption, D partie imaginaire en

dispersion. Il est généralement nécessaire de

recombiner les parties réelles et imaginaires

pour obtenir des spectres d’« absorption

pur » (correction de phase).

Largeur à mi-hauteur

*

e(-t/T2)


II. L’expérience RMN

A. Spectromètre RMN

- Polariser les spins en générant un fort champ magnétique statique B0.

- Basculer l’aimantation nucléaire dans le plan perpendiculaire au champ B0 à l’aide

d’impulsions RF

- Détecter les faibles courants électriques créés par l’aimantation transversale

1. L‘aimant

Le champ doit être le plus intense possible mais aussi parfaitement homogène sur tout

l’échantillon et stable dans le temps. Actuellement on utilise des aimants supraconducteurs

(Champ maximum à ce jour 21 T, correspond à une fréquence de résonance de 900 MHz pour 1H).


2. La partie électronique

3. La tête de mesure


B. Acquisition et traitement des données

Cf manuel « acquisition des données RMN ».

III. Spectre RMN haute résolution en phase isotrope

A. Déplacement chimique

1. Définition

Unité de mesure de l’échelle des : 10

-6 ou partie par million (ppm).

2. Référence

Produit de référence pour

1H et

13C : tetraméthylsilane (TMS)

Procédures de référençage

• Référence interne


• Référence externe

• Méthode de substitution

• Référence par mesure directe de la fréquence du signal de lock (2H du solvant)

• Echelle Unifiée : Tabulation des fréquences des différents noyaux par rapport à la

fréquence des protons du TMS (rapport ).

3. Electronégativité

4. Présence de charge partielle


5. Effets mésomères


6. conjugaison

7. Effet d’anisotropie

5.78 ppm

OH

H

O+

C-

H

H

SH

H

6.06 ppm

5.48 ppm

S

H H

5.81 ppm

O

H H

OH

H4.82 ppm

6.22 ppm

blindé


8. Courants circulaires


9. Effet de champ électrique et de van der Walls

10. Liaisons hydrogènes

Champ électrique :

Groupes fortement polarisés : les moments diélectriques des dipôles engendrent une modification de la densité de charges de certains atomes et affectent donc le champ local.

Interaction de van der Walls :

Un groupe non chargé mais se trouvant près d’un hydrogène peut modifier la densité électronique de celui-ci par des effets stériques.

Ces deux interactions peuvent être décrites par l’équation de Buckingham :

A et B sont des contantes, EC-H représente le champ électrique suivant la liaison CH et E2 le carré du potentiel du champ au site du proton.

2BEAE HC

N HHHH

N

O O

+

-

+

-


11. Effet du solvant

12. Effet de la température

Biochemistry, Vol. 38, No. 49, 1999

Les déplacements chimiques dépendent de la températureLes changements de température au cours d’une expérience provoquent un élargissement des pics. Les impulsions RF peuvent provoquer un échauffement local de l’échantillon, (particulièrement les impulsions de découplage et de «spin-lock» ).

– utilisation de «scans» à blanc avant l’enregistrement des données pour permettre à l’échantillon d’atteindre une température d’équilibre.

Changements des déplacements chimiques en fonction de la température pour la transition simple à double brin de l’ADN

Le suivi des déplacements chimiques en fonction de la température est un outil couramment utilisé :

changements de structure, suivis cinétiques dynamiques mesure de vitesse de réaction etc.


13. Effet du pH

14. Déplacements chimiques 1H

Les déplacements chimiques peuvent dépendrent du pHChangement de l’état de protonation d‘une molécule

– effets de la distribution électronique– charge locale effet de champ électrique– peut modifier la géométrie moléculaire ou la structure– peut entraîner la formation de tautomères– peut changer la stabilité chimique

Le suivi des déplacements chimiques en fonction du pH est un outil couramment utilisé : Détermination de pKa, équilibres, suivis cinétiques, réactivité, etc.

(1)

(2)

(3)

Mesure du pKa des azotes du macrocyleInorg. Chem. 2001, 40, 4310-4318


15. Composés paramagnétiques

En général, les composés paramagnétiques donnent des raies trop larges pour être observés par RMN RPE.

En RMN, le déplacement paramagnétique est constitué de 2 composantes :

- Interaction dipolaire à travers l’espace entre les moments magnétiques de l’électron et du noyau

-Déplacement de contact dû au couplage entre l’électron non apparié et le noyau : J de l’ordre de quelques MHz (Couplage hyperfin). L’intensité des 2 raies de résonance n’est pas égale (à cause de la différence de population des niveaux d’énergie de l’électron). Les électrons possède généralement un temps de relaxation T1 très court et le doublet fusionne en un seul pic. A cause de la différence d’intensité des deux pics, la raie moyenne peut alors se trouver à des milliers Hz de sa position attendue.

NoyauElectron

Couplage hyperfin

a

a

Déplacement de contact

Les complexes de métaux de transition paramagnétiques peuvent provoquer des déplacements de plusieurs centaines de ppm des déplacements chimiques et un élargissement important des raies du 1H.

– élargissement ~ 2/r6

– peux nécessiter l’utilisation de noyaux à bas pour l’observation d’un signal RMN– l’élargissement diminue rapidement avec la distance

Les protons à proximité du Co sont élargis

Noter la large gamme des déplacements chimiques 1H

Utile pour déterminer le site de fixation de métaux les résonances des noyaux qui se lient au métal disparaissent en présence d’un métal de transition


16. Réactifs de déplacement chimique

17. Noyaux autres que le 1H

Réactif comprenant un centre paramagnétique fortement anisotrope : Interaction dipolaire entre les moments magnétiques à travers l’espace (interaction de pseudocontact proportionnel à l’expression (3cos2-1)/r3)

On peut utiliser des RDC chiraux pour déterminer la pureté optique de mélange d’énantiomères

Schwenninger R. et al. Chem. Eur. J. 2001, 7, 2676

Handicaps :- Faible abondance isotopique- Sensibilité- Effet quadripolaire (I > 1/2)

Isotope Spin

107 rad T-1 s-1Abondance Naturelle %

Sensibilité relative

1H 1/2 26,7519 99,985 1,0

2H 1 4,1066 0,015 1,5 x 10-6

7Li 3/2 10,3975 92,6 4,0 x 10-2

11B 3/2 8,5843 80,4 4,1 x 10-2

13C 1/2 6,7283 1,11 1,8 x 10-4

15N 1/2 -2,712 0,37 3,9 x 10-6

29Si 1/2 -5,3188 4,7 3,7 x 10-4

31P 1/2 10,841 100,0 6,6 x 10-2

51V 7/2 7,0453 99,8 5,0 x 10-2


- Noyaux quadripolaires (Spin > ½)

Spins > ½ : environ 70 % de la table périodique

Noyau à spin 1/2 Noyau quadripolaire

MomentQuadripolaireElectrique (Q)

czzqe

II

IQ

TT

2

2

4

2

22

21

2/1)12(

32

10

311

En milieu isotropique (liquide) : Interaction entre le moment quadripolaire électrique Q (dû à une distribution non sphérique des charges nucléaires) et des gradients locaux fluctuants de champ électrique (qzz) causés par les électrons

Source supplémentaire de relaxation

Largeur à mi-hauteur des noyaux quadripolaires :

e : charge électrique du protonħ : constante de Planck divisé par 2πc : temp de corrélation

qzz très faible pour les molécules à symétrie cubique (tétrahèdre ou octahèdre).Exemple : Complexe d’un acide borique sous forme trigonale (a) ou tetrahédrale (b)

RMN 11B


- Sensibilité

Utilisé couramment Difficile ou application restreinteTrès difficile ou très restreinteSans espoir ou non étudié


- RMN du 13

C

- RMN du 19

F

RMN du 13C :

Spin ½

= 67,264 106 rad.T-1.s-1

(~ (1H)/4)

Abondance naturelle : 1,1 %

Sensibilité relative / 1H :1/6400

Aldéhydes

Hétérocycles aromatiquesAromatiquesAlcènes

C tertiaires

C secondaires

C primaires

-C≡ Alcynes

Cétones

Esters, Amides-COS-

NitrilesHétérocycles aromatiques

C quaternaires

- Large gamme de : 1300 ppm ; - Gamme habituelle de -200 à 200 ppm (référence CCl3F)- Noyau sensible : ab=100% ; Sensibilité / 1H = 0,83 ; Spin 1/2

difficile à interpréter :

-Asymétrie de la distribution de charge (σpara important)

- Electronégativité et état d’oxydation des voisins

-CF3

-CF2

-CXF2

=CF2

-CF

=CF-CFX

-CFX2

-CO-FO,N-F

Si-F

P-F

-300-200-1000100200300400500


- RMN du 15

N

- RMN du 31

P

-400-300-200-1000100200

- Large gamme de : 1350 ppm ; - Gamme habituelle de -400 à 200 ppm (référence CH3NO2)- Noyau peu sensible : ab=0,365% ; Sensibilité / 1H = 3,85x10-6 ; Spin 1/2

Variation de (similarités avec 13C) :

-Asymétrie de la distribution de charge (σpara important)- Electronégativité des voisins

NR3

2RN-NR2

-CΞN

Pyridines

2RN-CO-2RN-P

2RN-N=CR2

-N=CR2

-NO2

2RCN(2)=N(1)2RC=N-OH

2RN-N=O

1 | 2

-400-2000200400600

P

P

P

P

P

P

P

P

- Gamme habituelle de : ± 250 ppm (référence 85 %H3PO4)- extrêmes : - 488 ppm pour P4 ; + 1,362 ppm :tBuP[Cr(CO)5]2 (phosphinidene)- Noyau sensible : ab=100% ; Sensibilité / 1H = 0,066

Le déplacement chimique dépend principalement des angles des liaisons, de l’électronégativité des substituants et du caractère ionique des liaisons


B. Couplage scalaire

1. Définition

2. Multiplicité

L’éclatement du signal dépend du nombre d’atomes équivalents liés au noyau Dépend du nombre de combinaisons de paires de spins possible et deleurs énergies. L’intensité de chaque pic est déterminé par le nombre depaires de spins de même énergie. La séparation des pics est égale à la constante de couplage (J) Couplage négatif inversion des niveaux d’énergies relatifs.

Energierelative

Energieabsorbée

Energieabsorbée

Energierelative

Fréquence croissante Fréquence croissante

Plus blindé Moins blindé

Coupléà 3 Hb

Triangle de PascalPour un spin 1/2 :

Intensités relatives

La multiplicité d’une raie dépend du nombre n et de la valeur I des spins nucléaires voisins : 2nI+1

doublet triplet quadruplet quintuplet


Singulet

Doublet

Doublet dedoublets

Doublet dedoublets dedoublets

Multiplicité : (2nI+1)a x (2nI+1)b x ….


3. Effet de second ordre

4. Equivalence chimique et magnétique

- Equivalence Magnétique

On parle d’un système AB quand la constante de couplage JAB et du même ordre de grandeur que la différence de déplacements chimiques =A-B

(couplage fort)

(Système AX pour effet du premier ordre : couplage faible)

2

)32)(41(

ZA

ffff

z : fréquence centrale du système AB

AX

AB

Les noyaux doivent avoir le même déplacement chimique et ils doivent coupler de la même façon avec tous les autres noyaux

Règles pour l’équivalence des déplacements chimiques :Les noyaux sont interchangeables par des opérations de symétrie :

i. Rotation autour d’un axe symétrique (Cn)ii. Inversion par un centre de symétrie (i)iii. Réflexion par un plan de symétrie (s)iv. Rotation autour d’un axe puis réflexion par un plan normal à cet axe (Sn)

Les noyaux sont interchangeables par un processus rapide (de l’ordre de la ms)

Hc

Ha

Hd

Cl

Hb

Cl

Hd

Hb

Hc

Cl

Ha

Cl

180o

C C C

Ha

Ha

Ha

Hb

Hb

Ha

Ha

Ha

Ha

Ha Ha

HaEchange rapide


- Non Equivalence Magnétique

H1

H2

F3

F4

Système

AA’XX’

H1 & H2 => même déplacement : équivalent chimiquement (homotopique)

3JH1-F4 => cis3JH2-F4 => trans

Les deux protons sont couplés au même noyau avec des couplages différents : non équivalent magnétiquement

SystèmeAA’BB’

L’utilisation d’un logiciel de simulation de spectre peut-être nécessaire pour extraire les informations spectrales

Expérimental

Simulé


- Asymétrie

Les protons A et B ont des déplacements chimiques différents : ils sont diastéréotopiques

C

O

OH C

CHCH3

OH

H H

ABX*

A B

H

H

COOH

H

Me

OH

H

H

COOH

H

Me

OH H

H

COOHH

Me

OH

Pas de symétrie

4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5

4.20

2.70 2.60

1.20

CH

C

O

OH CH2

CH

CH3

OH

Groupes énantiotopiques

Protons diastereotopiques

Ha1 = Ha2Hb1 = Hb2

HOOCC

CC

OH

Hb1

Ha1

COOH

Hb2

Ha2

H

Plan de symétrie

A2B2X

HOOCC

CC

OH

HB1 H

A1

COOH

HB2

HA2

HABX

X


5. Analyse d’un éclatement

6. Couplage avec un spin > ½

Déconvolution d’un système de spin - détermination des valeurs de J- détermination des multiplicités présentes

1. L’éclatement est-il symétrique par rapport au centre ?2. Attribuer une intensité à chaque raie avec les raies extérieures égales à 13. Les intensités sont elles symétriques par rapport au centre ?4. Additionner les intensités attribuées

La somme doit être égale à 2n, n = nombre de noyaux couplés ; Ex: somme = 16, n = 4

5. La séparation des raies les plus extérieures est une constante de couplage

L’intensité relative permet de déterminer le nombre de noyaux couplés. Ex: rapport d’intensité : 1:2, 2 noyaux couplés. La première figure d’éclatement est un triplet (1:2:1)

6. Dessiner la première figure d’éclatement 7. Tenir compte de tous les raies dans l’éclatement qui reproduisent la première figure d’éclatement 8. Déterminer les autres figures d’éclatements

Nombres de raies : 2nI+1

Triangle de Pascal :

Spin 1/21

1 11 2 1

1 3 3 1- - - - -

Spin 11

1 1 11 2 3 2 1

1 3 6 7 6 3 1- - - - - - - - - -

Spin 3/21

1 1 1 11 2 3 4 3 2 1

1 3 6 10 13 10 6 3 1- - - - - - - - - - - -

2H ou D : spin 1

RMN du 119Sn

[SnH3] -

quadruplet[SnH2D]-

Triplet de triplet

[SnHD2]-

Doubletde quintuplet

[SnD3]-

Septuplet

1JSnH 1JSnD


7. Abondance Naturelle

8. Effet de relaxation

9. Effet de l’échange chimique

de NaBF4 / D2O19F-RMN

11BF4

10BF4

Déplacement Isotopique

JF-10B

JF-11B

= 10B

11B

JBF=0.5 HzJBF=1.4 Hz

10B : Q = 8.5 10-2 ; ab= 19.6 % ; ν=10.7 MHz (2.35 T) ; I=3 2nI+1 = 7

11B : Q = 4.1 10-2 ; ab= 80.4 % ; ν=32.1 MHz (2.35 T) ; I=3/2 2nI+1 = 4

13C{1H}

Relaxation lente de 51V (I=7/2)

Relaxation rapide de 51V (I=7/2)

Un couplage est observable si 1 > J-1 [s] ; 1 temps de vie de l’orientation du spin

Echange lent

Echange rapide

Pur

Ajoutd’acide

R-OH* + H-OH R-OH + *H-OH

CH3CH2OH


10. J source d’information structurale

- Courbe de Karplus

La constante de couplage J dépend de :

de l’hybridation des atomes impliqués dans la liaison, des angles de liaisons et de torsions, des longueurs de liaisons, de la présence de liaisons voisines, de la présence de paires d’électrons libres, de l’effet des substituants.

Quelques exemples (2J, 3J et 4J) :

Courbe de Karplus

La valeur de 3J dépend de 4 paramètres :• de l’angle dièdre f,• de la longueur de liaison CC• de l’angle des liaisons H-C-C• de l’effet des substituants


11. Couplage longue distance

12. Couplage 1H-13C

Jab

Jad

Ha

Jac

-

H

H

4JH-H = 1-2 Hz

H C C C H 4JH-H = 9 Hz

H C C C H 4JH-H = 3 Hz

H C C C C H5JH-H = 3 Hz

H C C C C H5JH-H = 3 Hz

Exemples :

Importance des liaisons

Motifs particuliers :-formes zig zag pour le 4J dans les systèmes saturés-formes W (ou M) pour 5J dans les systèmes insaturés

1JCH est proportionnel au pourcentage du charactère s des orbitales sp3 : ~125 Hzsp2: ~ 165 Hzsp : ~ 250 Hz

2JCH valeurs habituelles: -8 to +4 Hz. Difficile à prédire

3JCH dépend de l’angle dièdre (courbe de Karplus)Angle de 0° : 3JCH ~ 3-7 Hz Angle de 90 ° : 3JCH ~ 0 Hz Angle de 180° : 3JCH ~ 7-12 Hz


C. Relaxation

Mesure de T1

Temps de relaxationT1 ou T2

Temps de Corrélation c

Court

Long

T1 minimum

Petites molécules dans des liquides non visqueux

T1

T2

Mouvement rapidec court

Mouvement lentc long

Molécules de taille moyenne dans des liquides non visqueux

Grosses molécules liquides visqueux

c : temps nécessaire pour une rotation de 1°

Expérience d’inversion-récupération

Retour complet à l’équilibre pour un temps ~ 5 xT1T1=tzero/ln2


Filtre T2

D. Effet NOE

1. Définition

Polystyrene (50,000) + camphor

90 180

= 1.5 ms

Un filtre de type CPMG peut permettre d’éliminer les raies larges d’un spectre (T2 court)

0

0

0

)1(

(%)100

ISI

I

IIS

I

I

L’effet NOE : changement d’intensité d’une résonance suite à la perturbation des transitions de spin d’une autre résonance (saturation ou inversion).

NOE positifAugmentation

de l’intensité de I

NOE négatifDiminution

de l’intensité de I

Son intensité est exprimée en pourcentage (NOE pour le spin I suite à la perturbation de S) :

A l’équilibre, le diagramme des niveaux d’énergie d’un système à deux spins IS est représenté sur la figure a. Si on sature le spin S, les populations de spins résultantes sont indiqués sur la figure b.Pour revenir aux populations d’équilibre, le système doit faire appel à des processus de relaxation longitudinale qui peuvent se produire à travers six transitions : W1

I et W1S (simple

quantum), W2 (deux quanta) et W0 (quantum nul). Seul les transition W0 et W2 sont responsables du NOE.

W1I

W1I W1

S

W1S

W2

W0

W1I

W1I W1

S

W1S


2. NOE à l’état stationnaire

IS

IS

I

S

I

I

SI

WWW

WWS

201

02

2

IS : Taux de relaxation croisée pour les deux spins ISIS : Taux de relaxation dipolaire longitudinale

W1I a pour effet de réduire l’intensité

du NOE.

W2-W0 impose le signe du NOE :

- Pour les molécules qui se réorientent rapidement en solution, la transition W2

(fréquence élevée) est favorisée : NOE positif- Pour les molécules qui se réorientent lentement en solution, la transition W0

(fréquence faible) est favorisée : NOE négatifJ() : Densité spectrale (nombre de

molécules à une certaine fréquence)

Mouvement lent (grosses molécules,viscosité importante)

Mouvement rapide (petites molécules, viscosité faible)

Mouvement intermédiaire

NOE maximum de 50% dans un cas d’un système à deux protons isolés avec un c court. En réalité, nous avons rarement un système isolé et d’autres sources de relaxation vont avoir pour effet de réduire l’intensité du NOE (effet paramagnétique de l’oxygène, effet quadripolaire,…).Dans un système multi-spins, les spins voisins peuvent également donner des interactions dipolaires avec les spins I ou S et donc modifier l’intensité du NOE entre I et S.L’effet NOE à l’état stationnaire ne dépend pas de la distance mais de la vitesse à laquelle il est atteint.

I

SI S

2

NOE obtenu suite à la saturation continue d’un spin.

Pour les petites molécules (c court) :

A B C D49,9 % 43,4% -16,2%

NOE indirect

Dist. 0.5 1 2


3. NOE transitoire

Pour les c long, le NOE maximum théorique à l’état stationnaire peut atteindre -100%.

c

Le NOE est nul pour c=1.12 ce qui est peut être problématique pour les molécule de taille moyenne.

A B

C

D

E

F

Pour les grosses molécules, la diffusion de spin (NOE indirects) devient importante et on perd l’information structurale.

NOE Homonucléaire

L’évolution de l’intensité du spin I suite à l’inversion du spin S est décrite par l’équation :

6

6

IS

AB

A

I

r

r

B

S

NOE obtenu suite à l’inversion initiale d’un spin.

002)( zzmISmz ISI

622

0

4 141

6

IS

c

c

ISr

Le taux de relaxation croisée IS est directement proportionnel à la distance IS(rIS) pour les temps de mélange court. Pour ces temps de mélange, on peut extraire la distance entre IS en comparant l’intensité du NOE entre I et S avec celui d’un système AB dont on connaît la distance.

Temps de mélange (m)

Compétition avec la relaxation T1


IV. RMN multi-impulsionnelle

Cf manuel « acquisition des données RMN ».

- découplage

- effet NOE hétéronucléaire

)(2

2AX

x JB

Pour qu’il y ait découplage, il est nécessaire que la fréquence de précession autour de B2 soit beaucoup plus rapide que la constante de couplage 1H-13C ( ~140 Hz)

Objectif du découplage : élimination des éclatements dus aux couplages spin-spinSpectres simplifiés : détermination facilitée du nombre total de pics diminution du recouvrement des signaux

Application classique du découplage hétéronucléaire : spectre 13C découplé du 1HDécouplage par champ RF B2, de forte puissance, à la fréquence de 1H (train d’impulsions composites). L’aimantation des protons est moyennée à zéro (précession continue de l’aimantation autour de B2).

D1

13C-{1H}

13C

1H Découplage

FID

Train d’impulsionsEx : WALTZ 16


- édition spectrale

J-modulation + DEPT : Cf manuel « acquisition des données RMN ».

- INEPT

Les signaux des 13C sont relativement faibles (abondance naturelle de 1,1% ; (1H)=~ (1H)/4 ; sensibilité relative / 1H = 1/6400). Conséquence il est généralement nécessaire d’accumuler le spectre 13C pendant plusieurs heures.

Rapport signal sur Bruit d’un signal RMN :

On peut augmenter le signal 13C en excitant des noyaux 1H au début de l’expérience au lieu des noyaux 13C. L’aimantation des 1H est ensuite transmise au 13C par un transfert de polarisation.

L’intensité des raies est augmentée au maximum d’un facteur H/X

X 13C 15N 31P 29Si 19F

H/X 3,98 24,7 2,47 5,03 1,06

Les gains sont plus importants que les gains par effet NOE

S/N dépend de √NS et donc de √temps. Le gain en temps pour le 13C est 42 = 16.

T

TNSBnA

N

S exc

*

22

12

3

02

3

det )(

D1

13C

1H

90 90180

INEPT 13C-1H

Δ = 1/4JCH

Au lieu d’inverser sélectivement une raie à la fois, il est possible d’inverser en même temps la moitié de tous les doublets CH séquence INEPT

Expérience INEPT-refocalisée et découplée (INEPTrd) : signaux 13C sous forme de singulet. Possibilité de faire de l’édition spectrale.Remarque : on ne voit que les carbones couplés aux hydrogènes.

13C-{1H}

INEPT 13C-{1H}

INEPTrd 13C-{1H}


- suppression du solvant

Presaturation (presat) : Cf manuel « acquisition des données RMN ».

Watergate

V. Expérience à 2 dimensions

A. Principe

Autre application des impulsions sélectives : meilleure suppression des pics du solvant comparée à l’expérience de Présaturation.Principe de l’expérience : excitation de l’ensemble du spectre sauf à la fréquence de résonance du solvant : expérience WATERGATE.

Zéro excitation

Spectre normal

Avec Présaturation

Avec Watergate

Pour créer une deuxième dimension en RMN• Il faut enregistrer une série de FIDs incrémentée par un second domaine de temps (t1). Une évolution en fonction des déplacements chimiques ou des constantes de couplage se produit au cours de cette période de temps• Le temps d’acquisition de la FID est t2.• La transformation de Fourier pour t1 and t2, permet de générer un spectre RMN à deux dimensions (2D)

L’apparence relative de chaque spectre RMN sera modulé par le délai t1


Préparation MélangeEvolution

t1 t2

F2

Vue en coupeF1

F2

F1

t1,t2 ----> t1,F2 ------> F1,F2

FT(t2) FT(t1)

Excitation

Résolution des recouvrements des signaux

1D

2D

2 signauxsuperposés

2 pics croisésrésolus

Dimension F2 : entre 512 et 4096 points (en général).Si on double le nombre d’incréments t2,on double la durée d’enregistrement de la FID.

Dimension F1 :entre 128 et 1024 points (en général).Si on double le nombre d’incréments t1, on double la durée de l’expérience.


B. Expériences Homonucléaires

- COSY

COSY90 et 45 : Cf manuel « acquisition des données RMN ».

- TOCSY (Cf manuel « acquisition des données RMN »).

Spectre de corrélation homonucléaire COSY

t1 t2

Fréquence F2

(après mélange)

Fré

quen

ce F

1

Ava

nt m

élan

ge

La diagonale représente le spectre 1D normal

Pic de corrélation HA-HB

par couplage scalaire

Préparation MélangeEvolution

t1 t2

Excitation

Spectre TOCSY des acides aminés Aspartate et Phenylalanine.


- J-résolu

- NOESY/ROESY

NOESY : Cf manuel « acquisition des données RMN ».

Spectre 1H

Spectre 1H totalement découpléOn peut compter précisément le nombre de 1H

Combien de pics ?

L’expérience 2D J-resolved permet de différencier deux doublets proches d’un doublet de doublets

Corrélation entre les déplacements chimiques 1H et les constantes de couplages JHH

1H

JHH

CHB

HAC

HC

HA HB HC

La mesure de la distance entre deux protons I et S est possible en comparant l’intensité de son pic de corrélation NOE avec l’intensité du pic d’une paire de protons références AB dont la distance est fixe et connue.

Exemple de référence : distance entre deux protons géminaux: 1.78 Å

Pic de corrélation HA-HB

par effet NOE (référence)

6

6

IS

AB

A

I

r

r

B

S

NOE fort ; protons proches

NOE faible ; protons éloignés


Le temps de mélange pour les ROESY est deux fois plus court que celui pour les NOESY.

C. Expériences Hétéronucléaires

- HETCOR

Expérience de corrélation 1H-13C par les couplages scalaires 1JHC

1H

13C

Avantage : bonne résolution dans la dimension 13CInconvénient : faible sensibilité et faible résolution dans la dimension 1H

Excitation 1HDétection 13C

1H13C

(t1)

(t2)

C H

1JHC


- Détection inverse :

HSQC, HMQC et HMBC : Cf manuel « acquisition des données RMN ».

D. Stratégie d’attribution

Amélioration du rapport signal/bruit si on excite et on observe le noyau le plussensible du système de spin (habituellement 1H).

Gain en sensibilité pour le 13C de ~ 31,6 comparé à l’observation directe. Gainen temps 31,62 = ~1000 (à diviser par le nombre d’incrément t1 nécessaire pourcréer la deuxième dimension).La détection inverse est l’approche à favoriser.Le retour à l’équilibre (relaxation T1) et donc le temps nécessaire entre deuxacquisitions est fixé par le noyau excité.

T

TNSBnA

N

S exc

*

22

12

3

02

3

det )(

Observation

X

1H13C 15N 29Si

31P15N 103Rh

(obs/X)5/2 31,6 306 56,8 31,9 587

Etude approfondie de la molécule avant le début de l’analyse des spectres :

• Compter le nombre d’atomes 1H et 13C attendus

• Repérer les éléments de symétrie, les centres chiraux, les protons échangeables…

• Repérer les groupements fonctionnels caractéristiques par leur déplacement chimique. Ces groupements serviront de points de départ pour l’attribution des déplacements chimiques.

Analyse des spectres

• Compter le nombre de Cq, CH, CH2 et CH3 avec 13C{1H} et DEPT45,90 et 135

• Compter le nombre de 1H (intégration)

• Relier les 1H aux 13C à l’aide du 1JHC (HSQC/HMQC)

• Relier les 1H entre eux à l’aide des couplages nJHH (COSY, TOCSY)

• Relier les 1H aux 13C à l’aide des 2,3JHC (HMBC)

• Compléter éventuellement l’analyse en reliant les 1H entre eux par effet NOE


VI. Echange chimique

A. Principe

2

)()()( 33

3

HO

moyen

CHCHCH

Equilibre conformationnel

Equilibre chimique

k << Δν k >> Δν

K décroit K augmente

ms s

Coalescence

Perturbation dela forme des raies

Relaxationspin-spin

Echange lent à intermédiaire

Echange intermédiaireà rapide


B. Coalescence

Deux groupements cyclopentadienyle différents et pouvant s’échanger dans [Ti(1-C5H5)2(5-C5H5)2]Les vitesses d’échange changent en fonction de la température.Mais, le déplacement chimique peut également changer en fonction de latempérature.

Plusieurs résonances peuvent être affectées par l’échange.La coalescence des signaux peut se produire à différente température en fonction de la différence de fréquence des signaux en échange (a-b).

Rotation autour de la liaison N-C.La séparation des signaux entre C3 & C5

est plus faible qu’entre C2 & C6. Les signaux C3 & C5 coalescent en

premier.


C. Constante d’échange

La population des sites en échange peut être différente.Exemple : échange entre la position axiale et équatoriale de :

La vitesse d’échange peut facilement être mesurée jusqu’à -44oC. (accès aisé aux fréquences limites a-e et à l’aire des pics).

La différence d’élargissement est reliée à la différence des déplacements chimiques entre les positions axiales et équatoriales

Impossible de déterminer a-e

Impossible de déterminer k si on ne connaît pas la différence de fréquence a-e

Brome en position équatoriale

Brome en position

axiale

175 s -1

500 s -1

1800 s-1

5200 s -1

14000 s -1

34000 s-1

75000 s -1

142000 s-1

285000 s-1

620000 s-1

193

203

213

223

233

243

253

263

273

283

T (K) kech

Expérimental Simulation

A la température de coalescence Tc :

22 6((22.2 ABc Jk

22.22

ck

: séparation des 2 signaux en absence d’échange (en Hz)

Si les deux noyaux A et Bsont couplés :

kech dans la gamme 1 à 104 s-1

112


D. Paramètres Thermodynamiques

E. Transfert d’aimantation

Tracé d'Eyring

y = -4738,1x + 24,379

-0,5

0,5

1,5

2,5

3,5

4,5

5,5

6,5

7,5

0,0035 0,004 0,0045 0,005 0,0055

1/T

ln(k

ec

h/T

)

Equation d’Eyring :ki = κ(kBT/h)exp(-ΔG#

i/RT)

log (ki/T) = f(1/T)

=> ΔH# et ΔS#

Alternative : Equation d’Arhenius

log (ki) = f(1/T) Ea

(énergie d’activation)

κ : facteur de perméabilité (en général = 1)kB : constante de BoltzmannT : températureR : constante de gaz parfaith : constante de Planck

)(14.1914.19

32.10log #####

STHGS

T

H

T

ki

ΔG# : énergie libre d’activation

mssK décroit K augmente

Echange lent à intermédiaire

Echange intermédiaireà rapide

3 2

Echelle de tempsde la relaxation

Echelle de tempsspectral

Perturbation de la forme des raies

Echange d’aimantationlongitudinale

Echange lent


1. Transfert de saturation

Protons échangeables :

Transfert de saturation :Réduction partielle de l’intensité des signaux des protons échangeables suite à la saturation de l’un de ceux-ci

Spectre de différence par transfert de saturation

R-OH* + H-OH R-OH + *H-OH

Protons OH

Saturation

kech dans la gamme 10-2 à 102 s-1

Utilisation des transferts d’aimantation pour étudier l’échange :

Saturation du pic 2 transféré sur le pic 3 (spectre de différence)

Saturation du pic 4 transféré sur le pic 1 (spectre de différence)


2. Inversion de population

3. EXSY

Inversion sélective d’un signal : perturbation transférée sur les autres noyaux en échange avec le noyau dont la population a été inversée.

Inversion sélective

Perturbation transférée pendant

L’évolution de l’intensité des pics permet de déterminer le T1

moyen et la constante d’échange k (k=15.7 s-1 & T1 = 0.835 s)

A = exp (-R m)

A : matrice de l’amplitudes des picsR : matrice des paramètres cinétiquesOn peut extraire les constantes d’échange par calcul

kech dans la gamme 10-2 à 102 s-1

Expérience EXSY (m=100ms).(expérience NOESY utilisée pour voir

les échanges)

Inversion de tous les protons en une seule expérience. L’échange se produit pendant le temps de mélange


VII. Expériences RMN particulières

A. Mesure de diffusion par RMN

RuP

H1

H2

Expérience EXSY (m=100ms)

H1 H2

H1

H2

Ru

Cyp2P

PCyp2

Pic d’échange(négatif)

Effet NOE(positif)

Pour les petites molécules (c court), les corrélations NOE sont de signe opposé par rapport aux pics diagonaux. Les pics d’échange sont toujours du même signe que les pics diagonaux quelque soit la taille de la molécule.

Auto-Diffusion : Mouvement translationnel aléatoire d’une molécule en solution

On sait mesurer les coefficients d’auto-diffusion par RMN.Information sur le volume qu’occupe la molécule en solution qui dépend de :- la taille de la molécule, - de la forme de la molécule, - de son organisation en solution (dimère, oligomère, association de molécules de solvant, …)

Diffusion d’une sphère


B. RMN en phase solide

F2 : Déplacement chimique

F1 :Coefficient

d’auto-diffusion

DOSY : Diffusion Ordered SpectroscopY

Wu et al. J. Am. Chem. Soc. (1993), 4291

Elargissements en phase solide dus aux :A : couplages dipolaires (d)B : anisotropies de déplacement chimique

Ces deux contributions sont moyennées à zéro par les mouvements en solution

A

B

RMN 13C en solution

RMN 13C en phase solide


- Expériences MAS et CPMAS

Angle magiqueMAS : Magic Angle Spinning

Vit

esse

de

rota

tion

statique

Sans CP (durée 7680 s)

Avec CP (durée 256 s)

Matériau amorphe

Poudre cristalline

La largueur de raie en phase solide dépend beaucoup de la cristallinité du matériau

Matériau amorphe

3 phases cristallines différentes


C. RMN des Solides Mous

Même expériences que pour échantillon en phase liquide mais appliquées sur des échantillons

en rotation à l’angle magique.


Bibliographie RMN théorique

- Spin dynamics, M.H Levitt (WILEY), (cf service RMN)

Attribution des spectres

- Multidimensional NMR Methods for the Solution State,

MORRIS G.A., EMSLEY J. W. (Wiley & Sons), 2010 (B-B165)

- Organic Structure Determination using 2-D NMR Spectroscopy : a Problem-Based

Approach , SIMPSON J. H. (Academic Press), 2008 (B-B167)

- Structural elucidation with NMR spectroscopy: practical strategies for organic chemists,

Kwan E.E, Huang, S. G.

Effets Dynamiques et relaxations

- Dynamics of solutions and fluids mixture by NMR, J.J. Delpuech (WILEY) (cf RMN)

- Advanced applications of NMR to organometalic chemistry M. Gielen, R. Willem, B.

Wrackmeyer (WILEY) (bibliothèque)

Diffusion

- Diffusion NMR spectroscopy in supramolecular and combinatorial chemistry: an old

parameter-New insights, Y. Cohen, L. Avram & L. Frish Angew. Chem. Int. Ed. (2005) 44,

520-554

RMN du solide

- Solide state NMR spectroscopic methods in chemistry D.D Laws, H.M.L. Bitter, A.

Jerschow, Angew. Chem. Int. Ed. (2002) 41, 3096.

http://www.wiley-vch.de/publish/en/books/bySubjectCH00/bySubSubjectCH17/0-470-77075-9/?sID=xf40njc3vdzyzgl1kd4zvvkr8n

http://books.google.fr/books?id=uYxochNv2Z8C&printsec=frontcover&dq=Organic+Structure+Determination+using+2-D+NMR+Spectroscopy:+a+Problem-Based+Approach&source=bl&ots=kI11B8WK-z&sig=x9CisIKAlnaAIdbJOLB-yedRyTM&hl=fr&ei=OQNZTbikI9qw4Ab-7f3tBg&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=5&ved=0CEQQ6AEwBA#v=onepage&q&f=false

http://books.google.fr/books?id=uYxochNv2Z8C&printsec=frontcover&dq=Organic+Structure+Determination+using+2-D+NMR+Spectroscopy:+a+Problem-Based+Approach&source=bl&ots=kI11B8WK-z&sig=x9CisIKAlnaAIdbJOLB-yedRyTM&hl=fr&ei=OQNZTbikI9qw4Ab-7f3tBg&sa=X&oi=book_result&ct=result&resnum=5&ved=0CEQQ6AEwBA#v=onepage&q&f=false

a. spin nucléaire e i=1

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