Tp Rmn

Effet de déblindage Effet de blindage

Pour illustrer nos propos on étudie la molécule suivante :

Spectre RMN du 1H de l'exemple 1

Dans cette molécule comporte deux groupes de spins (nombre d’atomes portant des 1H) : les deux CH3 et le CH2. Chacun des groupes est représenté par un signal. Les CH3 sont deux fois plus nombreux que les CH2 donc le signal correspondant au CH3 sera deux fois plus intense (deux fois plus haut).

Pour chacun des deux groupes de spins le signal correspondant est un singulet. C’est-à-dire que les protons étudiés sont équivalents chimiquement (ils ont le même environnement chimique) et il n’est pas possible de les différencier. De plus, le signal n’étant pas dédoublé, on peut affirmer que ces protons ne possèdent pas de voisins.

D’après les tables de déplacement chimique, pour les protons de type CH3-C-R on a un δ proche de 1ppm. Or la molécule étudiée, on a ajoute un oxygène sur cet enchainement (CH3-CO-R) et le déplacement chimique est de 2,4ppm. L’atome d’oxygène entraine donc un déplacement chimique de 1,4 ppm vers la gauche du spectre. L’atome d’oxygène est à l’ origine cet effet de déblindage.

Concernant les protons du CH2, les tables nous indiquent qu’un enchainement –C-CH2-C- devrait apparaître vers 1,3 ppm. Si on ajoute un oxygène, –C-CH2-CO-, le déplacement chimique sera de 1,9ppm. Dans la molécule étudiée l’enchainement possède un oxygène de plus, –CO-CH2-CO-, et le signal apparaît à 2,4ppm. Ici aussi on met en évidence un déplacement chimique qui est proportionnel au nombre d’atomes électro-attracteurs présent dans l’environnement chimique des protons étudiés.

Equivalence chimique

L’équivalence chimique résulte d’un même environnement chimique pour différents groupe de protons. Voici un exemple de molécule permettant d’expliquer cette notion :

Spectre RMN du 1H de l'exemple 2

Cette molécule possède trois groupes de spins: les deux CH3 et le CH, et le OH. Le spectre correspondant contient trois signaux.

Le signal avec δ=1ppm, correspond aux deux CH3, est un doublet avec une intensité beaucoup plus importante. Ceci est du à la présence d’un axe de symétrie avec de part et d’autre un groupement CH3. Cet axe de symétrie implique que les deux groupements CH3 sont équivalents c’est pourquoi ils apparaissent sous le même signal mais avec une intensité beaucoup plus importante.

Le signal à 4ppm correspond donc au CH et est un quadruplet avec une intensité 1-3-3-1 qui d’après la règle des n+1 pics implique que le proton du CH à pour voisins trois protons équivalents (les 2 CH3 et le OH). Les 3 protons de chacun des CH3 sont équivalents, il n’est pas possible de les différencier entre eux. De ce fait, quand l’un entre en résonance les deux autres aussi c’est pourquoi ces 6 protons ne font qu’un aux yeux du proton du CH.

Cette molécule nous a permis de mettre en avant la notion de protons équivalents ainsi que l’équivalence chimique entre deux groupements différents grâce a un axe de symétrie. La principale conséquence étant la simplification du spectre résultant.

Sur ce spectre on observe également un pic correspondant au OH, ceci est du au solvant utilisé. En effet, si on utilise un solvant protique, il y a un échange rapide entre le H du OH et les H de l’eau (H20) et le signal correspondant au OH apparaitra dans le pic de l’eau. En revanche, si on utilise un solvant aprotique, ou si on analyse l’échantillon pur, comme c’est le cas ici, il n’y a pas d’échange avec l’eau et on observe un pic de plus correspondant au OH.

Couplage scalaire

Il existe plusieurs types de couplage : couplage Proton-Proton, Carbone-Proton, Phosphore-Phosphore etc…

On prend l’exemple d’un couplage proton-proton pour expliquer cette notion. Deux protons Ha et Hb portés par des carbones adjacents sont placés dans un même champ magnétique. Cependant, ils ne perçoivent pas forcément les mêmes champs induits. Si le proton Ha entre en résonance, Hb ne résonne pas forcément mais il est toujours présent dans le champ magnétique. Son spin peut adopter deux états :

* La forme α : le spin du proton est parallèle au champ magnétique.

* La forme β : le spin est anti-parallèle au champ magnétique.

On parle de couplage entre Ha et Hb et cela implique un dédoublement du signal de Ha.

La constante de couplage, notée J, est l’écartement entre deux raies du signal de Ha lorsque celui-ci est couplé à un proton Hb. Si un proton Ha est couplé avec un proton Hb avec une constante de couplage J alors le proton Hb est couplé avec Ha avec la même constante de couplage. Sur le spectre RMN, on trouvera donc deux fois la même constante de couplage.

Comme exemple nous prenons la molécule suivante :

Spectre RMN du 1H de l'exemple 4

Cette molécule possède un cycle aromatique donc le déplacement chimique sera supérieur à 5 ppm.

Ha est adjacent à un groupement Br qui est très électronégatif, il y a un fort déblindage. Son signal est donc le plus décalé sur la gauche du spectre et son déplacement chimique est égal à 8ppm.

Ha est couplé Hb avec une constante de couplage J = 7Hz (car il y a 3 liaisons entre eux).

Ha est aussi couplé avec Hc avec une constante de couplage de 3Hz. Il n’y a que dans les aromatiques qu’on observe un couplage entre protons aussi éloignés.

Le signal de Ha est donc un double doublet car les protons Hb et Hc sont équivalents, ils possèdent le même environnement électronique.

Hd est lui aussi déblindé mais pas autant que Ha car I est moins électronégatif que Br. Le signal du proton Hd apparaît donc à un déplacement chimique de 7,8ppm. Comme expliqué précédemment Hd est couplé avec Hc et Hb avec respectivement les mêmes constantes de couplage. Le signal est également un double doublet.

Le signal de Hb apparaît à δ= 7,2ppm et celui de Hc à δ= 7,00ppm. Ceci s’explique toujours par la présence du Br qui déblinde plus Hb que I déblinde Hc. Cette fois les protons sont plus éloignés des groupements éléctro-attracteurs et l’effet de déblindage est moins important.

Pour le proton Hb le signal attendu est un double double doublet (8 pics) car il est couplé avec Ha, Hc et Hd qui sont trois protons non équivalents.

Cependant, on observe ici un signal de 6 pics dont les deux centraux ont une intensité double. Ceci à cause que deux de ces voisins positionnés en ortho possèdent la même constante de couplage ce qui explique la superposition des signaux.

II – La RMN in vivo : applications

1- Analyse de polysaccharides par RMN du 13C

Pour l’analyse de polysaccharides in vivo, on utilise la RMN au 13C. Le problème avec l’utilisation du 13C est son abondance naturelle. En effet, dans la nature, il n’est présent qu’à une hauteur de 1,08%. Le 12C est abondant à 98,98 %.

En revanche le 1H, a lui une abondance de 100%.

Le 1H est donc beaucoup plus abondant que le 13C.

Avec une abondance de 1,08%, la probabilité d’avoir deux 13C côte à côte est de 0,0001, autant dire quasi nulle. De ce fait, il est quasi impossible d’observé un couplage Carbone-Carbone et le spectre serait aplati avec un bruit de fond beaucoup trop important, ce qui implique qu’il nous serait impossible de voir des pics. En enrichissant notre échantillon, on augmente la probabilité d’avoir deux 13C adjacents et les pics seront plus facilement détectables.

En raison de la faible abondance du 13C nous aurions pu envisager d’utiliser le 12C. Pour entrer en résonance un atome doit posséder un spin et pour avoir un spin il doit avoir soit sa masse atomique soit sa charge nucléaire impaire. Cependant, sa masse atomique (12) est paire et sa charge nucléaire (6) est également paire, donc le 12C ne possède donc pas de spin. Du fait qu’il ne possède pas de spin, il est incapable d’entrer en résonance quand il est placé dans un champ magnétique.

Nous étudions le spectre du glucane.

Une fois, le fichier importé, nous appliquons une apodisation exponentielle de 2 Hz puis une transformée de Fourier. Le spectre obtenu est le suivant :

Ensuite, nous devons référencer le spectre à l’aide du pic de solvant. Il se présente sous forme d’un septuplet à 39,43ppm. Cette opération nous permet d’interpréter correctement le spectre, qui se présente maintenant sous cette forme :

* 2 doublets

* 4 triplets

Ce spectre expérimental du glucane est enrichi 100% en 13C. Ce qui signifie que tous les atomes de carbone présents dans cette molécule sont des