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