Cours de RMN S4
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Cours de RMN S4 Cours de RMN S4
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Résonance magnétique nucléaireIntroduction
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.
E.V. Blackburn, 2011
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.
E.V. Blackburn, 2011
Mesure de l’absorption d’une radiation dans le domaine des fréquences radio par un noyau atomique dans un champ magnétique fort.
Résonance magnétique nucléaire : RMN
énergies 5.10-2 J.mol-1
E.V. Blackburn, 2011
Le principe de fonctionnement repose sur la Résonance
Magnétique Nucléaire (RMN)
des moments magnétiques du noyau des
atomes constitutifs des milieux biologiques
avec des champs magnétiques externes (en pratique un champ
fixe de 0.3 a 1.5 Tesla)
E.V. Blackburn, 2011
Le patient est allongé sur un lit d'examen mobile qui doit ensuite être rentré dans le tunnel de l'aimant proprement dit.
Cet aimant dégage un champ magnétique permanent puissant qui va orienter les atomes d'hydrogène selon un axe donné.
Puis une antenne émet une onde de radio fréquence courte modifiant l'orientation des protons ceux-ci vont ensuite revenir à leur état initial en restituant de l'énergie.
Cette énergie va être captée par une antenne réceptrice
Ces différents signaux seront ainsi analysés => production d’une "image" dont les informations seront variables en fonction de la technique utilisée.
E.V. Blackburn, 2011
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
E.V. Blackburn, 2011
L'IRM fournit plus de détails que le scanner X sur la structure interne des tissus et des tumeurs
IRM : Imagerie morphologique & fonctionnelle
E.V. Blackburn, 2011
Le scanner X
E.V. Blackburn, 2011
Appareil de RMN
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
La RMN du proton peut différencier les hydrogènes de couleurs différentes
Spectre RMN = empreinte digitale d’une molécule
*
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.
E.V. Blackburn, 2011
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).
E.V. Blackburn, 2011
A
Noyau ≡ particule sphérique chargée tournant autour d'un axe, de moment cinétique
Propriétés des noyaux
E.V. Blackburn, 2011
Un noyau peut être étudié par RMN si son spin nucléaire I est non nul.
I est un demi entier
I=1/2 1H, 19F, 13C, 31P I=3/2 11B, 23Na I=5/2 17O, 27Al
I est un entier
I est nul
Interaction spin nucléaire - champ magnétique
En l’absence de champ magnétique externe, les moments magnétiques de spin sont orientés au hasard.
Moments magnétiques alignées selon direction du champ imposé
Plongés dans un champ magnétique
E.V. Blackburn, 2011
Est associé à ce spin un moment magnétique nucléaire μ=γI (rapport gyromagnétique)
le noyau se comporte comme un petit aimant.
*
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 = γB0
mI = I, I-1, I-2,… -I
(2I+1) niveaux énergétiques
Cas du proton
E.V. Blackburn, 2011
H0
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 antiparallèle
L’effet d’un champ magnétique
La différence d’énergie, DE, existant entre les deux états de spin dépend de la force du champ extérieur, Ho. Plus le champ est fort, plus grande sera la DE:
E.V. Blackburn, 2011
Statistiquement (équation de Boltzmann), le niveau d’énergie le plus bas est davantage peuplé
Occupation des niveaux d’énergie
*
- ½ γB0
½ γB0
La RMN consiste à réaliser une transition entre les deux niveaux d’énergie grâce à une onde électromagnétique de fréquence ν.
Résonance
Energie à fournir: ΔE = γB0
Or ΔE = hν0 avec ν0 la fréquence de l’onde EM
D’où : ν0 = γβ0/2π
*
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.
E.V. Blackburn, 2011
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).
*
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.
Ces protons ne sont pas homotopiques!
5.cdx
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.
Ces protons sont homotopiques!
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
E.V. Blackburn, 2011
L’effet du blindage
Les 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
E.V. Blackburn, 2011
L’effet du blindage
La 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.
E.V. Blackburn, 2011
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:
E.V. Blackburn, 2011
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.
E.V. Blackburn, 2011
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.
E.V. Blackburn, 2011
Déplacements chimiques
=
distance du pic par rapport à celui de (CH3)4Si en Hz
fréquence du spectromètre en MHz
ppm
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:
*
E.V. Blackburn, 2011
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
alkyle primaire RCH3 0,9
alkyle secondaire RCH2R’ 1,3
alkyle tertiaire R3CH 1,5
allylique C=C-CH3 1,7
benzylique ArCH2R 2,2 - 3
chloroalcane RCH2Cl 3 - 4
bromoalcane RCH2Br 2,5 - 4
iodoalcane RCH2I 2 - 4
éther RCH2OR’ 3,3 - 4
alcool RCH2OH 3,3 - 4,0
E.V. Blackburn, 2011
Déplacements chimiques caractéristiques
aldéhyde H-C=O 9 - 10
Alcène R2C=CH 4,6 - 5,9
aromatique ArH 6,0 - 8,5
alcool ROH 4,5 - 9
amine RNH2 1 - 5
carboxylique RCO2H 10,5 - 12
E.V. Blackburn, 2011
Courbe d’intégration
*
Intégration
L’aire sous un signal de RMN est directement proportionnelle au nombre de protons donnant naissance au signal.
43 mm
21 mm
64 mm
43 mm
21 mm
64 mm
43/21 = 2 protons
21/21 = 1 proton
64/21 = 3 protons
*
Règle des n+1
Lorsqu’un proton H est couplé avec n protons équivalents, son signal est éclaté en (n+1) raies
*
*
E.V. Blackburn, 2011
Couplage spin-spin – CH3CH2I
Il y a 2 absorptions principales. Celles-ci sont divisées respectivement en trois et quatre composantes également espacées. Pourquoi?
E.V. Blackburn, 2011
Regardons l’absorption par le proton du groupe -CHBr2.
Il est affecté par le spin des deux protons voisins. Il y a 4
combinaisons qui sont également possibles pour leurs
orientations de spin:
E.V. Blackburn, 2011
Couplage spin-spin
n protons équivalents diviseront un signal de RMN en n + 1 pics
E.V. Blackburn, 2011
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:
E.V. Blackburn, 2011
Constantes de couplage
J = 2-6 Hz
J = 5-14 Hz
J = 2-13 Hz
J = 0-7 Hz
L’échange rapide des protons
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.
E.V. Blackburn, 2011
NC = nombre de carbones
NX = nombre d’halogènes
NN = nombre d’azotes
NH = nombre d’hydrogènes
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.
E.V. Blackburn, 2011
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.
E.V. Blackburn, 2011
Mesure de l’absorption d’une radiation dans le domaine des fréquences radio par un noyau atomique dans un champ magnétique fort.
Résonance magnétique nucléaire : RMN
énergies 5.10-2 J.mol-1
E.V. Blackburn, 2011
Le principe de fonctionnement repose sur la Résonance
Magnétique Nucléaire (RMN)
des moments magnétiques du noyau des
atomes constitutifs des milieux biologiques
avec des champs magnétiques externes (en pratique un champ
fixe de 0.3 a 1.5 Tesla)
E.V. Blackburn, 2011
Le patient est allongé sur un lit d'examen mobile qui doit ensuite être rentré dans le tunnel de l'aimant proprement dit.
Cet aimant dégage un champ magnétique permanent puissant qui va orienter les atomes d'hydrogène selon un axe donné.
Puis une antenne émet une onde de radio fréquence courte modifiant l'orientation des protons ceux-ci vont ensuite revenir à leur état initial en restituant de l'énergie.
Cette énergie va être captée par une antenne réceptrice
Ces différents signaux seront ainsi analysés => production d’une "image" dont les informations seront variables en fonction de la technique utilisée.
E.V. Blackburn, 2011
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
E.V. Blackburn, 2011
L'IRM fournit plus de détails que le scanner X sur la structure interne des tissus et des tumeurs
IRM : Imagerie morphologique & fonctionnelle
E.V. Blackburn, 2011
Le scanner X
E.V. Blackburn, 2011
Appareil de RMN
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
La RMN du proton peut différencier les hydrogènes de couleurs différentes
Spectre RMN = empreinte digitale d’une molécule
*
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.
E.V. Blackburn, 2011
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).
E.V. Blackburn, 2011
A
Noyau ≡ particule sphérique chargée tournant autour d'un axe, de moment cinétique
Propriétés des noyaux
E.V. Blackburn, 2011
Un noyau peut être étudié par RMN si son spin nucléaire I est non nul.
I est un demi entier
I=1/2 1H, 19F, 13C, 31P I=3/2 11B, 23Na I=5/2 17O, 27Al
I est un entier
I est nul
Interaction spin nucléaire - champ magnétique
En l’absence de champ magnétique externe, les moments magnétiques de spin sont orientés au hasard.
Moments magnétiques alignées selon direction du champ imposé
Plongés dans un champ magnétique
E.V. Blackburn, 2011
Est associé à ce spin un moment magnétique nucléaire μ=γI (rapport gyromagnétique)
le noyau se comporte comme un petit aimant.
*
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 = γB0
mI = I, I-1, I-2,… -I
(2I+1) niveaux énergétiques
Cas du proton
E.V. Blackburn, 2011
H0
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 antiparallèle
L’effet d’un champ magnétique
La différence d’énergie, DE, existant entre les deux états de spin dépend de la force du champ extérieur, Ho. Plus le champ est fort, plus grande sera la DE:
E.V. Blackburn, 2011
Statistiquement (équation de Boltzmann), le niveau d’énergie le plus bas est davantage peuplé
Occupation des niveaux d’énergie
*
- ½ γB0
½ γB0
La RMN consiste à réaliser une transition entre les deux niveaux d’énergie grâce à une onde électromagnétique de fréquence ν.
Résonance
Energie à fournir: ΔE = γB0
Or ΔE = hν0 avec ν0 la fréquence de l’onde EM
D’où : ν0 = γβ0/2π
*
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.
E.V. Blackburn, 2011
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).
*
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.
Ces protons ne sont pas homotopiques!
5.cdx
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.
Ces protons sont homotopiques!
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
E.V. Blackburn, 2011
L’effet du blindage
Les 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
E.V. Blackburn, 2011
L’effet du blindage
La 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.
E.V. Blackburn, 2011
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:
E.V. Blackburn, 2011
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.
E.V. Blackburn, 2011
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.
E.V. Blackburn, 2011
Déplacements chimiques
=
distance du pic par rapport à celui de (CH3)4Si en Hz
fréquence du spectromètre en MHz
ppm
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:
*
E.V. Blackburn, 2011
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
alkyle primaire RCH3 0,9
alkyle secondaire RCH2R’ 1,3
alkyle tertiaire R3CH 1,5
allylique C=C-CH3 1,7
benzylique ArCH2R 2,2 - 3
chloroalcane RCH2Cl 3 - 4
bromoalcane RCH2Br 2,5 - 4
iodoalcane RCH2I 2 - 4
éther RCH2OR’ 3,3 - 4
alcool RCH2OH 3,3 - 4,0
E.V. Blackburn, 2011
Déplacements chimiques caractéristiques
aldéhyde H-C=O 9 - 10
Alcène R2C=CH 4,6 - 5,9
aromatique ArH 6,0 - 8,5
alcool ROH 4,5 - 9
amine RNH2 1 - 5
carboxylique RCO2H 10,5 - 12
E.V. Blackburn, 2011
Courbe d’intégration
*
Intégration
L’aire sous un signal de RMN est directement proportionnelle au nombre de protons donnant naissance au signal.
43 mm
21 mm
64 mm
43 mm
21 mm
64 mm
43/21 = 2 protons
21/21 = 1 proton
64/21 = 3 protons
*
Règle des n+1
Lorsqu’un proton H est couplé avec n protons équivalents, son signal est éclaté en (n+1) raies
*
*
E.V. Blackburn, 2011
Couplage spin-spin – CH3CH2I
Il y a 2 absorptions principales. Celles-ci sont divisées respectivement en trois et quatre composantes également espacées. Pourquoi?
E.V. Blackburn, 2011
Regardons l’absorption par le proton du groupe -CHBr2.
Il est affecté par le spin des deux protons voisins. Il y a 4
combinaisons qui sont également possibles pour leurs
orientations de spin:
E.V. Blackburn, 2011
Couplage spin-spin
n protons équivalents diviseront un signal de RMN en n + 1 pics
E.V. Blackburn, 2011
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:
E.V. Blackburn, 2011
Constantes de couplage
J = 2-6 Hz
J = 5-14 Hz
J = 2-13 Hz
J = 0-7 Hz
L’échange rapide des protons
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.
E.V. Blackburn, 2011
NC = nombre de carbones
NX = nombre d’halogènes
NN = nombre d’azotes
NH = nombre d’hydrogènes
