Chimie analytique - 3ème année pharmacie - Département de

Chimie analytique - 3ème année pharmacie- Département de Pharmacie Batna 2- Cours

Spectrométrie de résonance magnétique nucléaire (R.M.N) / Dr. Maghchiche

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Historique

Les premières expériences de RMN ont été conduites à la fin de l'année 1945 par deux équipes

américaines Edward M. Purcell et Félix Bloch. Leurs travaux leur valurent conjointement le

Prix Nobel de Physique en 1952. C'est seulement au début des années 1970 que la méthode

RMN prit son essor grâce aux travaux du suisse Richard R. Ernst (Prix Nobel de Chimie en

1991). Aujourd’hui, la technique RMN est devenue un outil très précieux du diagnostic médical

des tissus. Les examens pratiqués sont des examens par IRM, ou Imagerie par Résonance

Magnétique.

1. Introduction

La RMN constitue actuellement la technique la plus puissante et la plus générale d’analyse

structurale des composés organiques. Elle précise la formule développée et la stéréochimie

des molécules. Elle revêt une importance particulière en chimie organique, en biochimie et en

chimie macromoléculaire (polymères, gels, matériaux). Elle a fait également ses preuves dans

la caractérisation de molécules biologiques et minérales (verres, céramiques...) et a trouvé des

applications dans les domaines agroalimentaire (contrôle de qualité) et pharmaceutique.

Enfin, l’imagerie médicale RMN (dite IRM), connue du grand public, ainsi que la RMN in vivo

se développent fortement aujourd'hui

La spectrométrie de R.M.N. (Résonance Magnétique Nucléaire) est basée sur les propriétés

magnétiques de certains noyaux atomiques. Cette technique, qui utilise les propriétés de

résonance des atomes placés dans un champ magnétique, est particulièrement puissante.

Basée sur la mesure de l’absorption d’un rayonnement lumineux (fréquence radio) par un noyau

atomique dans un champ magnétique fort. La RMN constitue actuellement la technique la plus

puissante et la plus générale d’analyse structurale des composés organiques.



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2. Principe

La résonance magnétique nucléaire (RMN) est une technique qui permet d'identifier les atomes

d'hydrogène d'une molécule ainsi que la nature et le nombre d’atomes de leur environnement

proche. Certains noyaux sont comparables à de petits aimants, qui soumis à un champ

magnétique intense peuvent sous l’action d’un champ de radio fréquence (RF) convenable,

absorber une certaine quantité d’énergie : c’est le phénomène de résonance. Il se traduit par le

passage des noyaux d’un état énergétique favorable à un état énergétique défavorable.

Un noyau est observable par RMN s'il présente des propriétés magnétiques caractérisées par

l'existence d'un nombre de spin I non nul.

Tous les atomes des noyaux sont chargés positivement.

Dans certains noyaux, la rotation de cette charge autour de l’axe nucléaire détermine

l’apparition d’un dipôle magnétique aligné sur cet axe.

Le moment magnétique μ caractérise l’importance du dipôle nucléaire

Le nombre de spin I détermine le nombre N d’orientations (de positions) que peut prendre le

noyau au sein d’un champ magnétique uniforme.

N = 2I + 1

I est la résultante des spins des neutrons et des protons constituants le noyau

1-Nombre de masse (A) impair 1H (I= ½), 13C (I= ½), 31P (I=½), 23Na (I= 3/2) I demi-entier

2-Nombre de masse (A) pair, nombre de charge (Z). I entier

impair 2H (I=1), 14N (I=1), 10B (I=3)

3-A pair, Z pair 12C (I=0), 16O (I=0), 32S (I=0) I = 0



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Les noyaux qui possèdent un nombre de spin = ½ sont les plus intéressants en RMN

Tableau 1 : Nombres quantiques de spin I de différents noyaux

A = nombre de masse = nombre de nucléons (protons + neutrons)

Z = numéro atomique = nombre de protons

Remarque : Certains noyaux ne sont pas observables en R.M.N. car ils n'ont pas de propriétés

magnétiques.

Le noyau de l’atome d’hydrogène possède des propriétés magnétiques dues à une grandeur

typiquement quantique appelé le spin. Un aimant possède un moment magnétique que l’on

peut symboliser par un vecteur. En l’absence de champ magnétique les moments magnétiques

sont orientés de manière aléatoire.

En l’absence de champ magnétique externe, les moments de spin des noyaux d’un échantillon

sont distribués uniformément (ils pointent dans n’importe quelle direction). Le moment

magnétique Total d’un échantillon est donc nul.



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Figure 1 : moments magnétiques orientés aléatoirement

Soumis à un champ magnétique les moments magnétiques des noyaux s’orientent.

Deux orientations sont possibles : parallèlement au champ magnétique ou antiparallèlement

(Figure).

Figure 2: Moments magnétiques en présence d’un champ magnétique extérieur

Chaque orientation possède sa propre énergie

02

initiale l

hE E m B

= −

Avec :

initialeE : l’énergie du proton sans interaction avec un champ magnétique

: constante appelée rapport gyromagnétique

h : constante de Planck

0B : valeur du champ magnétique extérieur

lm : nombre quantique de spin 1

2lm =



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Les deux états de spin ont des énergies différentes, ils tournent autour de l’axe du champ

magnétique B0. Il y a plus de spins α (basse énergie) que de spins β (haute énergie).

3.Transition de spin

Une onde électromagnétique de fréquence permet d’effectuer une transition de spin :

retournement de moment magnétique

Figure 3 : Absorption d’une onde électromagnétique et retournement de spin

L’onde absorbée doit posséder une énergie égale à la différence d’énergie entre les deux

niveaux soit :

02

hE B

=

La fréquence de résonance est appelée fréquence de Larmor et vaut :

0 02

B

=

Cette fréquence dépend du champ magnétique appliqué.

Remarque : La puissance d’un spectromètre RMN dépond de la fréquence de Larmor du

proton correspondante.

4. Modification de la fréquence de transition de spin

Le proton au sein de la molécule va avoir un champ légèrement plus faible (écranté), appelé

champ effectif Beff :

La fréquence de résonance sera donc légèrement différente :

0 (1 )2 2

i eff iv B B

= = −



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Avec i la constante d’écran.

5. Déplacement chimique

Le déplacement chimique, noté 𝛿, est la grandeur en abscisse du spectre RMN. Il s'exprime

usuellement en partie par million notée ppm.

Les spectres ne sont pas gradués en fonction de la fréquence de résonance car la fréquence de

résonance de chaque proton dépend du champ magnétique appliqué B0, qui dépend de l’appareil

utilisé.

Pour avoir des spectres universels il faut une grandeur qui ne dépend pas de B0. Cette grandeur

est le déplacement chimique δ, n'a pas d'unité et est noté en ppm (parties par millions)

Le déplacement chimique varie de 0 à 15 ppm. Il est noté Il est déterminé à l'aide de la relation

suivante :

6

0

10i réfv v

v

−=

Avec :

0v : fréquence de résonance du proton isolé

iv : fréquence de résonance du proton considéré dans la molécule

réfv : fréquence de résonance du proton dans une molécule de référence (tétraméthylsilane : TMS)

La référence utilisée est le tétraméthylsilane (TMS).

Le TMS est utilisé comme référence car il présente une constante d'écran élevée, il est volatil,

soluble dans les solvants organiques, il est inerte chimiquement et utilisé en petite quantité.

Si le signal est émis près du TMS on parle de champ fort : il y a blindage.

En pratique, on ne fait pas de mesure absolue mais on mesure l'écart de fréquence par rapport

à une substance de référence (dans le cas du proton, on utilise le tétraméthylsilane (CH3)4Si

noté TMS). Le déplacement du TMS est ainsi posé arbitrairement égal à 0.

Les raisons de choix du TMS sont multiples :



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Ce composé présente 12 protons identiques, il donne donc un signal fort. • le signal du TMS

se trouve en dehors de la zone de résonance des protons les plus communs, donc « n’encombre

» pas le spectre

- le TMS présente une grande inertie chimique et ne risque pas de réagir avec l'échantillon •

non toxique et peu coûteux

6.Règles empiriques pour déterminer le déplacement chimique

Des règles ont étés établies pour déterminer empiriquement les déplacements chimiques

Schoolery a établit des règles d'additivité pour les groupements X-CH2-Y.

δppm = 0,24 + σX+ σY

Avec σ les constantes d'écran des substituants X et de Y

Remarque : Plus un noyau est proche d'atomes électronégatifs, Plus son déplacement chimique

est grand.

1.Protons équivalents

Dans une molécule, les noyaux des atomes d'hydrogène sont équivalents s'ils ont le même

environnement chimique.

Des protons équivalents sont représentés par le même signal sur le spectre.

On pourra considérer que des atomes d’hydrogène sont équivalents si :

- Ils sont liés à un même atome de carbone engagé uniquement dans des liaisons simples.

- Ils sont liés à des atomes différents mais il existe entre eux une relation de symétrie simple.

Sur le spectre de RMN du proton de l'éthanoate de méthyle (𝐶𝐻3−𝐶𝑂𝑂−𝐶𝐻3), on observe un

signal à 2,06ppm qui correspond aux protons du premier groupe 𝐶𝐻3 et un second signal à

3,66ppm qui correspond aux protons du second groupe 𝐶𝐻3.

https://www.lachimie.fr/analytique/rmn/effet-ecran.php��



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Ceux-ci ont un déplacement chimique supérieur à cause de la proximité de l’atome d’oxygène

du groupe ester plus électronégatif que les atomes de carbone et d'hydrogène.

Figure 4 : Représentation de quelques déplacements chimiques du proton (δH)

7.Notion de blindage et de déblindage

7.1. Influence des effets électroniques des substituants

La fréquence de résonance du proton dépend de son voisinage, par l’intermédiaire de la

constante d’écran :

- plus la densité électronique au voisinage du proton est importante, plus cette constante est

grande et plus la fréquence de résonance est faible : le proton est blindé

- plus la densité électronique au voisinage du proton est faible, plus cette constante est petite et plus la

fréquence de résonance est importante : le proton est déblindé.

Figure 5 : lien entre déplacements chimiques et la notion de blindage



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8. Le couplage spin-spin

Sur les spectres, les signaux peuvent se présenter sous forme complexes que l’on appelle des

multiplets, au lieu d’être des pics simples.

8.1. Notion de constante de couplage

De même que deux aimants au voisinage l’un de l’autre interagissent, les noyaux interagissent

entre eux à cause de leur moment magnétique de spin. Cette interaction s’appelle le couplage

spin-spin et est transmise par les électrons des liaisons.

Les constantes de couplage exprimées en Hertz, sont désignées par le symbole nJ, n étant le

nombre de liaisons séparant les noyaux couplés.

Pour le proton,

Si n=2, les couplages se font entre protons dits « géminés » ;

Avec n=3, les couplages s’effectuent entre protons dit « vicinaux »

Si n ˃3, on parle de couplages à longues distances (souvent faibles).

Remarque : Il n’apparaît pas de couplage si les atomes d’hydrogène sont magnétiquement

équivalents, ils présentent alors le même déplacement chimique.

8.2. Multiplicité des signaux : règle des (n+1) -uplets

Lorsqu’un noyau a une influence sur son voisin, cela se traduit par un dédoublement du signal.

En généralisant, un noyau de spin I décompose les raies de résonance de ses voisins en (2I+1)

raies de transition.

Si le noyau est couplé avec n noyaux voisins équivalents de spin I, on aura (2nI + 1) raies.

C’est la règle de multiplicité des signaux.

Dans le cas de l’hydrogène de spin I=1/2, les raies de résonance sont décomposées en (n + 1)

raies.



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8.3. Règle des (n+1) uplets :

Si un proton HA est couplé avec n protons équivalents, portés par un ou plusieurs atomes de

carbone immédiatement voisins de celui qui porte le proton HA étudié, son signal est un

multiplet comportant (n+1) pics.

Les intensités relatives des raies suivent la règle du triangle de Pascal.

Intensité des raies Forme du signal

n=0 1 Singulet

n=1 1 1 Doublet

n=2 1 2 1 Triplet

n=3 1 3 3 1 Quadruplet

n=4 1 4 6 4 1 Quintuplet

n=5 1 5 10 10 5 1 Sextuplet

Figure 6 : exemple de règle des (n+1) uplets



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9. Courbe d’intégration

La hauteur de cette courbe est proportionnelle à l’aire se trouvant sous les pics du spectre.

L’aire sous un pic est proportionnelle aux nombres de protons résonants.

9.1. Méthode

- On mesure la hauteur de chaque pic de la courbe d’intégration

- En connaissant le nombre total d’atomes d’hydrogène au sein de la molécule on remonte au

nombre d’atomes d’hydrogène correspondant à chaque pic

On attribue ainsi dans l’exemple le pic à 2,7 ppm au groupement CH3, et le pic à 4 ppm au

groupement CH2.

10. Spectre RMN

Un spectre RMN est constitué d'un ensemble de signaux, constitués d'un ou plusieurs pics fins.

Chaque signal correspond à un atome ou groupe d'atomes d'hydrogène.

L'environnement de l'atome ou du groupe d'atome influe sur :

- la position du signal, repérée en abscisse par une valeur appelée le déplacement chimique .

Le déplacement chimique d'un atome d'hydrogène dépend des atomes présents dans son



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environnement. Son unité est la ppm (partie par million). Il dépend de la fréquence de

résonnance de l'atome d'hydrogène.

- Multiplicité (nombre de pics le composant)

- Courbe d'intégration se superpose au spectre.

11. Méthode d'analyse d'un spectre de RMN

Pour dépouiller un spectre de RMN, il faut :

-Exploiter la courbe d’intégration qui indique le nombre relatif de protons responsables des

signaux.

-Etudier les valeurs des déplacements chimiques, en tenant compte des tables.

-Analyser la nature du signal en utilisant la règle des (n+1) -uplets.

-Etudier les couplages en déterminant les valeurs des constantes de couplage.

Exemple de spectre de RMN

Dépouillement du spectre de RMN de l’éthanoate d’éthyle.



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Figure 7 : Spectre RMN 1H de l’éthanoate d’éthyle

Examinons l’allure du spectre RMN

Type de H (ppm) Multiplet Nbr de H couplés

H1 1.15 Triplet 2 H3

H2 2.03 Singulet 0

H3 4.06 Quadruplet 3 H1

Associons alors chaque type de proton H

Type de H Type de H Intensité

H1 HC 3

H2 HA 3

H3 HB 2



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12. Appareillage :

Figure 8 : schéma d’une RMN

Les éléments suivants sont indispensables pour constituer un spectromètre :

1-Un aimant Pour produire le champ statique H0

2-Une source de radiations électromagnétiques de fréquence appropriée (générateur)

3-Une unité de balayage de fréquence dans tout le domaine des absorptions

4-Une cellule ou Tubes RMN C'est des petits éprouvettes de verre dont elle est fabriquée

avec précision puisqu'elle doit Tourner.

Les dimensions pour la RMN 1H

Longueur du tube : 18 cm

Diamètre externe : 5 mm

Diamètre interne : 4 mm

5-Un détecteur (récepteur de radiofréquence) qui mesure la quantité de radiation absorbée par

la cellule.

6- Un enregistreur qui trace l’énergie absorbée en fonction de la fréquence.

13. L'imagerie RMN

Cette méthode utilise en pratique la RMN de l'eau, la méthode repose donc sur les différences

d'état hydrique des tissus qui donnent des signaux différents. Il est possible de caractériser par

cette méthodes diverses pathologies (inflammations, œdèmes, tissus cancéreux etc.).

14. La RMN in vivo

C'est une méthode non invasive et non traumatique qui donne accès à un certain nombre de

paramètres : elle permet par exemple la mesure du pH intracellulaire (mesure du déplacement



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chimique des ions phosphate), l'identification de composés organiques et la mesure de leurs

concentration, l'étude cinétique de leur métabolisme.

15. Application médicale : l'IRM

Le principe de la RMN est également exploité en imagerie médicale. Cette technique est plus

connue sous le nom d'Imagerie par Résonance Magnétique, le patient est placé au sein d'une

grande bobine produisant un fort champ électromagnétique (du même ordre que pour la RMN

sur les molécules) et les protons contenus par le corps humain sont excités. Dans le cas de l'IRM

des capteurs restituent l'intensité du signal à chaque endroit de la zone étudié. L'intensité

lumineuse de chaque pixel est proportionnelle à l'intensité du signal. Cela permet d'obtenir une

image ressemblant à une radiographie (rayons X), avec des zones sombres et d'autres plus

claires selon la forme des tissus humain étudiés. A l'inverse de la radiographie par rayon X, ce

sont les tissus mous les plus visibles. Les os contiennent trop peu de protons pour être bien

visibles à l'IRM.

IRM (Imagerie par Résonance Magnétique). IRM complète d’un corps humain.

16. Applications :

La RMN est née en 1946 et a explosé vers de multiples applications :

Les domaines d'application sont très variés et concernent l'analyse structurale des substances

organiques en solution, la caractérisation des matériaux organiques et inorganiques à l'état

solide et la dynamique moléculaire.

La RMN des liquides est un outil de base pour l'étude des petites molécules organiques en

solution, substances naturelles ou synthétiques, et l'étude des macromolécules solubles

(protéines, acides nucléiques, polysaccharides, polymères synthétiques).

https://www.google.com/url?sa=i&url=https%3A%2F%2Fwww.doctissimo.fr%2Fhtml%2Fsante%2Fimagerie%2Firm.htm&psig=AOvVaw3MD-mttJR_4_rg4ksUPCJM&ust=1595084514801000&source=images&cd=vfe&ved=2ahUKEwi3s7OAx9TqAhWYxuAKHR-RBdcQr4kDegUIARCYAQ��






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La RMN des solides permet d'étudier des substances amorphes ou faiblement cristallines telles

que les verres et les polymères naturels ou synthétiques insolubles ; c'est une technique très

complémentaire de cristallographie par rayons X.

En biologie applicable à l'étude des matériaux et des tissus biologiques, en particulier pour le

suivi au niveau tissulaire des stratégies thérapeutiques.

- Le domaine médical avec l'Imagerie par Résonance Magnétique (IRM)...

- Déterminer la structure d’un composé inconnu

-Faire de l’analyse conformationnelle (en travaillant sur les constantes de couplage)

-Faire l’étude d’équilibre en particulier l’équilibre cétoénolique (grâce à l’étude de la courbe

d’intégration)

-Faire un suivi de cinétiques en étudiant la courbe d’intégration qui permet de suivre la

concentration relative d’un produit au cours du temps ;

Applications pharmaceutiques de la RMN1

H

- Caractérisation des structures exactes des matières premières et des produits finis.

- Détermination des impuretés même énantiomériques mais à un taux supérieur à 10%.

- Empreintes digitales d’un mélange.

- Développement du couplage HPLC/RMN pour identifier les impuretés et les métabolites des

fluides biologiques.



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chimique des ions phosphate), l'identification de composés organiques et la mesure de leurs

concentration, l'étude cinétique de leur métabolisme.

15. Application médicale : l'IRM

Le principe de la RMN est également exploité en imagerie médicale. Cette technique est plus

connue sous le nom d'Imagerie par Résonance Magnétique, le patient est placé au sein d'une

grande bobine produisant un fort champ électromagnétique (du même ordre que pour la RMN

sur les molécules) et les protons contenus par le corps humain sont excités. Dans le cas de l'IRM

des capteurs restituent l'intensité du signal à chaque endroit de la zone étudié. L'intensité

lumineuse de chaque pixel est proportionnelle à l'intensité du signal. Cela permet d'obtenir une

image ressemblant à une radiographie (rayons X), avec des zones sombres et d'autres plus

claires selon la forme des tissus humain étudiés. A l'inverse de la radiographie par rayon X, ce

sont les tissus mous les plus visibles. Les os contiennent trop peu de protons pour être bien

visibles à l'IRM.

IRM (Imagerie par Résonance Magnétique). IRM complète d’un corps humain.

16. Applications :

La RMN est née en 1946 et a explosé vers de multiples applications :

Les domaines d'application sont très variés et concernent l'analyse structurale des substances

organiques en solution, la caractérisation des matériaux organiques et inorganiques à l'état

solide et la dynamique moléculaire.

La RMN des liquides est un outil de base pour l'étude des petites molécules organiques en

solution, substances naturelles ou synthétiques, et l'étude des macromolécules solubles

(protéines, acides nucléiques, polysaccharides, polymères synthétiques).



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Ce composé présente 12 protons identiques, il donne donc un signal fort. • le signal du TMS

se trouve en dehors de la zone de résonance des protons les plus communs, donc « n’encombre

» pas le spectre

- le TMS présente une grande inertie chimique et ne risque pas de réagir avec l'échantillon •

non toxique et peu coûteux

6.Règles empiriques pour déterminer le déplacement chimique

Des règles ont étés établies pour déterminer empiriquement les déplacements chimiques

Schoolery a établit des règles d'additivité pour les groupements X-CH2-Y.

δppm = 0,24 + σX+ σY

Avec σ les constantes d'écran des substituants X et de Y

Remarque : Plus un noyau est proche d'atomes électronégatifs, Plus son déplacement chimique

est grand.

1.Protons équivalents

Dans une molécule, les noyaux des atomes d'hydrogène sont équivalents s'ils ont le même

environnement chimique.

Des protons équivalents sont représentés par le même signal sur le spectre.

On pourra considérer que des atomes d’hydrogène sont équivalents si :

- Ils sont liés à un même atome de carbone engagé uniquement dans des liaisons simples.

- Ils sont liés à des atomes différents mais il existe entre eux une relation de symétrie simple.

Sur le spectre de RMN du proton de l'éthanoate de méthyle (𝐶𝐻3−𝐶𝑂𝑂−𝐶𝐻3), on observe un

signal à 2,06ppm qui correspond aux protons du premier groupe 𝐶𝐻3 et un second signal à

3,66ppm qui correspond aux protons du second groupe 𝐶𝐻3.

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