La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) Dr. Julien Furrer 1

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1 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) Dr. Julien Furrer 1

2 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 1. Qu est-ce? 1) C est une spectroscopie rien à voir avec l énergie nucléaire La résonance magnétique nucléaire fait partie des techniques dites de spectroscopie, c'est à dire des techniques qui étudient le rayonnement électromagnétique absorbé par la matière. A B C D A) Une source émet un rayonnement électromagnétique (de la lumière, par exemple). B) Ce rayonnement passe dans un monochromateur, pour ne sélectionner qu une partie du rayonnement. C) La matière va en général absorber une partie du rayonnement incident. Le rayonnement émis est détecté après avoir passé dans la matière. D) La différence entre le rayon incident et le rayonnement détecté nous donne un spectre, caractéristique de la matière étudiée. Dr. Julien Furrer 2

3 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 1. Qu est-ce? 2) Elle s applique aux noyau des atomes La RMN permet d étudier le rayonnement absorbé par les noyaux des atomes, d'où le terme «nucléaire». En 1938, Isidor Isaac Rabi montre que le noyau atomique peut absorber un rayonnement électromagnétique monochromatique (= 1 seule fréquence), d où le terme «résonance», en présence d'un fort champ magnétique, d'où le terme «magnétique». Le premier "spectre" RMN a été obtenu en 1946 par Felix Bloch et Edward Purcell. Il s agissait d un spectre de l eau. Bloch et Purcell ont obtenu le prix Noble de Physique en 1953 pour cette découverte. Dans les années 50, la RMN était plus ou moins un "joujou" de physiciens mais à partir des années 60, les physiciens puis les chimistes se sont aperçus des innombrables informations que l'on pouvait tirer à partir des spectres RMN. Aujourd'hui, les applications de la RMN sont immenses et concernent de nombreux domaines de la physique, la chimie, la biologie et également l'imagerie médicale (l'imagerie par résonance magnétique ou IRM). Dr. Julien Furrer 3

4 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 1. Qu est-ce? 3) Les noyaux des atomes Matière Molécule Imaginons tout d abord une matière quelconque, comme de l eau dans un verre. Visible Nous savons que toute matière est constituée de molécules. Ici, il s agit de molécules d eau, de formule chimique 2 O, c est à dire 2 atomes d hydrogène liés à un atome d oxygène 1 molécule d eau d ~ 0.1nm soit m! (10-10 m) Nous savons également qu un atome est lui-même formé d un noyau, constitué de protons et de neutrons ainsi que d électrons qui gravitent autour du noyau. 1 proton ~ électron ~ m 18 m Dr. Julien Furrer 4

5 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 1. Qu est-ce? 3) Les propriétés des noyaux Les noyaux possèdent: une masse, une charge électrique, un magnétisme, un spin. Si les 2 premières propriétés sont évidentes, il n en est pas de même pour les deux dernières, car elles ne possèdent pas d équivalent macroscopique, à notre échelle. Il s avère que les noyaux interagissent avec des champs magnétiques, et peuvent donc être considérés comme des aimants microscopiques. Le concept de spin est moins évident. Grossièrement, on peut admettre que les noyaux tournent sur eux-mêmes, comme une planète ou une toupie. On représente alors l atome avec une flèche (un vecteur), pour représenter le moment angulaire de spin (en gros la direction). Magnétisme et spin sont des propriétés intrinsèques des noyaux. Dr. Julien Furrer 5

6 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 1. Qu est-ce? 4) Le concept du magnétisme nucléaire Un noyau atomique peut être considéré et représenté comme un micro (ou nano) aimant. Les lettres «N» et «S» représentent les pôles nord et sud de l aimant, d où partent les lignes du champ magnétique, comme pour la planète terre et le soleil. Lorsque un noyau est placé dans un fort champ magnétique, il peut se trouver dans un état d énergie «basse», favorisé, et dans un état d énergie «haute», défavorisé. (modèle simplifié). A notre échelle, seule la configuration «basse» énergie existe, à savoir que deux aimants s attirent spontanément, le pôle nord de l un attirant le pôle sud de l autre. Ce n est pas le cas dans le monde microscopique. N N Aimant S Aimant S basse énergie haute énergie Dr. Julien Furrer 6

7 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 1. Qu est-ce? 5) Le principe de résonance magnétique Dans toute matière, il y a un nombre colossal d atomes et donc de noyaux. Par exemple, dans 18 grammes d eau (18 ml), il y a = 6.02 x molécules d eau, ou: !!!!! (six cent deux mille milliards de milliards ) La théorie montre qu en présence d un fort champ magnétique, environ 50,0001% des noyaux se trouvent dans l état de basse énergie. Ce petit excès créé une aimantation macroscopique, caractéristique du noyau que l on veut étudier. Ce qui devient intéressant, c est que cette aimantation macroscopique peut être manipulée. Le rayonnement adéquat pour cette manipulation se situe dans le domaine des micro-ondes. Il s agit du même type de rayonnement qu utilisent les fours micro-ondes, mais aussi les radios et les télévisions hertziennes. Chaque noyau requiert une fréquence particulière pour manipuler son aimantation créée dans un champ magnétique. Ainsi, on utilisera une fréquence spécifique pour observer des atomes d hydrogène et une autre pour observer des atomes de carbone ou d oxygène. De par sa nature assez théorique, le principe de fonctionnement de la RMN reste malheureusement difficile à comprendre, car on ne peut pas se représenter concrètement une aimantation, un champ magnétique, un noyau atomique et un rayonnement micro-onde. En revanche, les résultats, sous forme de spectres, sont bien concrets et apportent d innombrables informations, comme nous allons le voir. Dr. Julien Furrer 7

8 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 2. Comment ça marche? Le spectromètre tre RMN: un gros aimant Comme nous l avons vu, la RMN nécessite un champ magnétique. Celui-ci est généré au sein de la partie la plus importante d un spectromètre RMN: l aimant. Il ne s agit pas d une vulgaire barre en fer aimantée, mais d un appareil très sophistiqué. Le champ magnétique est créé par du courant circulant dans une bobine. Vide Azote liquide (77 K = -196 C) elium liquide (2 K = -271 C) Les bobines sont fabriquées à l aide de matériaux supraconducteurs. Ceux-ci, une fois immergés dans de l hélium liquide (-271 C) laissent circuler le courant sans aucune perte! Ainsi, l'aimant est «mis en champ» lors de l installation, en injectant du courant dans la bobine. Le champ magnétique peut ainsi rester constant pendant plusieurs années, sans consommer un seul kw d électricité! Dr. Julien Furrer 8

9 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 2. Comment ça marche? Comme tout appareil moderne, un spectromètre RMN nécessite une électronique complexe, regroupée dans une console. Celle-ci est pilotée au moyen de programmes informatiques et d ordinateurs. L ordinateur est quant à lui (encore ) contrôlé par un opérateur, appelé spectroscopiste, commandant suprême du spectromètre! électronique (console) opérateur (chef suprême) ordinateur Dr. Julien Furrer 9

10 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 2. Comment ça marche? Voici comment sont réalisées les expériences RMN: (schématisé sur la diapo suivante) - Les échantillons à étudier sont dissous dans un solvant et introduit dans des tubes spéciaux. - Le tube est introduit dans le spectromètre et arrive dans la sonde de mesure. - L opérateur introduit les commandes pour manipuler l aimantation du noyau choisi. - Ces commandes sont transmises à la console qui envoie le rayonnement dans la sonde de mesure. - Le signal émis par les noyaux passe dans la sonde et la console et est récupéré par l ordinateur. - Les données brutes sont traitées par l ordinateur. - Les spectres résultants sont prêts à être analysés par le chef suprême Dr. Julien Furrer 10

11 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 2. Comment ça marche? Insertion 1 4 émission RF 5 Réception du signal 3 Transfert des données 6 Console Echantillon Contrôle Aimant 2 Traitement des données Spectre Ordinateur A B C Dr. Julien Furrer 11

12 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 3. Pourquoi? Nous arrivons à la question cruciale que pose toute personne novice dans le domaine: Pourquoi fait-on tout cela? Nous allons tenter d y répondre simplement. Voyons tout d abord l aspect d un spectre RMN: A B C Nous voyons qu un spectre RMN se compose de «bâtonnets», appelés résonances, plus ou moins réguliers, inégalement espacés. Nous remarquons aussi les chiffres 1, 2 et 3 sous les résonances, ainsi que une échelle graduée sous le spectre. Ce spectre RMN montre les signaux des noyaux des atomes d hydrogène de l éthanol (alcool). Il s agit donc d un spectre RMN 1 (symbole de l hydrogène) de l éthanol, ou spectre proton. Voyons maintenant les informations que l on peut en tirer. Dr. Julien Furrer 12

13 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 3. Pourquoi? Tout d abord, quelques indications: * Dans un spectre RMN, la surface (l aire) d une résonance est proportionnelle au nombre de noyaux dans l échantillon étudié, donc au nombre d atomes. On mesure ainsi grâce à la RMN directement des quantités d atomes. La position d une résonance (appelée déplacement chimique) dans un spectre dépend de la nature des noyaux entourant le noyau considéré. On détermine ainsi grâce à la RMN la nature chimique. Ainsi, un atome d hydrogène ayant 3 atomes de carbone comme voisins n aura pas la même position dans un spectre RMN qu un atome d hydrogène ayant 3 atomes d azote comme voisins. * Les noyaux interagissent entre eux à travers les liaisons chimiques (électrons) Les résonances présentent une structure fine (appelée couplage J). Celle-ci donne une information sur le voisinage direct du noyau considéré. L intensité, la position exacte de la résonance et sa structure fine sont directement influencées par l environnement électronique (chimique) du noyau, au niveau atomique! La RMN est un outil analytique très puissant pour l analyse de structures. Dr. Julien Furrer 13

14 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 4. Exemple de l éthanol O C C 2 3 Voici l éthanol représenté chimiquement: Il est composé d 1 atome d oxygène, de 2 atomes de carbone et de 6 atomes d hydrogène. Sa formule chimique s écrit C 2 6 O. 1 Ethanol Voyons maintenant la nature des atomes d hydrogène (proton) de la molécule d éthanol. Un examen rapide de la structure chimique révèle qu il y a trois types de protons: 1 proton lié à un atome d oxygène O (hydroxyle). 2 protons identiques, liés à un atome de carbone C 2 (éthyle). 3 protons identiques, liés à un autre atome de carbone C 3 (méthyle). Il est important de réaliser que les 2 protons «bleus» ne sont pas identiques aux 3 protons «rouges», car leur voisinage direct est différent. CONSEQUENCE: La molécule d éthanol comprenant 3 types de protons différents, le spectre RMN 1 de cette molécule devrait contenir 3 résonances, comptant respectivement pour 1 (O), 2 (C 2 ), et 3 (C 3 ). Voyons cela. Dr. Julien Furrer 14

15 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 4. Exemple de l éthanol O C C Résonance Intégrale A B C Déplacement chimique (position) δ (ppm) Dr. Julien Furrer 15

16 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 4. Exemple de l éthanol Effectivement, le spectre 1 de l éthanol présenté sur la page précédente se compose de 3 résonances distinctes. La première résonance, à gauche, compte pour 1. Elle correspond donc au proton lié à l atome d oxygène. Elle se situe à 5 sur l échelle graduée. On dira que la résonance a un déplacement chimique de 5 ppm ou que le proton O résonne à 5 ppm. La seconde résonance, comptant pour 2, se situe à environ 3.7 ppm. Elle correspond aux deux protons liés au carbone qui lui-même est lié à l oxygène (bleu). Les protons C 2 résonnent à 3.7 ppm ou ont un déplacement chimique de 3.7 ppm. La troisième résonance, comptant pour 3, se situe à environ 1.1 ppm. Elle correspond aux trois protons liés au carbone lui-même lié à l autre carbone (rouge). Les protons C 3 résonnent à 1.1 ppm ou ont un déplacement chimique de 1.1 ppm. En regardant de plus près, nous pouvons voir que les résonances à 3.7 ppm et 1.1 ppm ne présentent pas une structure en «bâtonnets», mais une structure irrégulière. Voyons ce que cela signifie Dr. Julien Furrer 16

17 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 5. Le couplage J Cette structure fine s explique par les propriétés quantiques des noyaux, aussi n allons nous pas nous attarder dessus. Disons pour simplifier que les noyaux «voient» leurs voisins directs et que cela se traduit sur la forme de la résonance. Leur signal nous renseigne sur le nombre des voisins. Dans le jargon, ce phénomène s appelle le couplage J. La résonance d un proton n ayant aucun voisin direct apparaît comme un bâton (un singulet) La résonance d un proton ayant un voisin direct apparaît dédoublé (un doublet) La résonance d un proton ayant deux voisins directs apparaît 2 fois dédoublé (un triplet) et ainsi de suite. On peut retenir: pour n voisins identiques, la résonance est éclatée en n+1 signaux. Dr. Julien Furrer 17

18 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 5. Le couplage J Revenons à notre molécule d éthanol. Nous avons vu qu il y avait 3 types de protons donc 3 résonances distinctes pour l éthanol. O C C Le proton O étant un peu spécial, nous ne l analyserons pas et l ignorerons dans l analyse. Les 2 protons C 2 ont trois voisins, les 3 protons du groupe C 3 la résonance du C 2 sera donc éclatée en 3+1 = 4 signaux. Pareillement, Les 3 protons C 3 ont deux voisins, les 2 protons du groupe C 2 la résonance du C 3 sera donc éclatée en 2+1 = 3 signaux. Vérifions Dr. Julien Furrer 18

19 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 5. Le couplage J -O -C 2 -C 3 O C C 1 voisin 2 résonances 2 voisins 3 résonances 3 voisins 4 résonances. n voisins n+1 résonances Effectivement! je pense que vous n avez jamais imaginé le vin ainsi! Dr. Julien Furrer 19

20 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) Nous venons de voir les renseignements que nous pouvions tirer des spectres RMN: L intensité, la position exacte de la résonance et sa structure fine sont directement influencées par l environnement électronique (chimique) du noyau, au niveau atomique! La RMN est un outil analytique très puissant pour l analyse de structures. Le fait que les spectres représentent une «sonde» au niveau moléculaire a rendu la RMN indispensable dans les laboratoires et industries chimiques. C est la seule technique avec la diffraction des rayons X permettant de prouver avec quasi certitude que la molécule que vous avez synthétisée est bien la bonne! Dr. Julien Furrer 20

21 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 6. Spectres bidimensionnels Evidemment, l éthanol est une très petite molécule, dont les spectres RMN sont très facilement analysables. Il n en est pas de même avec les molécules toujours plus sophistiquées fabriquées par les chimistes dans les laboratoires universitaires et industriels. Voici le molécule appelée cyclosporine, un immunosuppresseur, qui s'utilise aussi dans le traitement de la polyarthrite rhumatoïde, et son spectre RMN 1. Si nous devions prouver la structure de cette molécule uniquement à l aide de ce spectre, l affaire serait bien mal engagée! eureusement, avec les spectres bidimensionnels la RMN a plus d un tour dans son sac, comme nous allons le voir. Dr. Julien Furrer 21

22 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 6. Spectres bidimensionnels Pourquoi la RMN bidimensionnelle? Imaginons plusieurs personnes parlant chacune une seule langue. F F A I F A I A F: français A: allemand I: Italien Question: Comment trouver les personnes qui parlent la même langue? Réponse: sur un «spectre» 1D. Cela devient très vite «illisible» Imaginez 50 personnes! Dr. Julien Furrer 22

23 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 6. Spectres bidimensionnels Idée: Représentation bidimensionnelle «Pic» diagonal (= la personne se comprend elle-même) «Pic» croisé (la personne 6 comprend la personne 8) - c est beaucoup plus facile - toute l information se voit d un seul coup d œil Dr. Julien Furrer 23

24 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 6. Spectres bidimensionnels En RMN, c est la même chose, mais le noyaux ne parlent pas entre eux, ils communiquent via le couplage J et d autres interactions. Question: quels protons sont voisins dans la molécule étudiée?? PAS FACILE!!!! Dr. Julien Furrer 24

25 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 6. Spectres bidimensionnels Avec un spectre RMN bidimensionnel, la réponse est immédiate: Spectre RMN 2D COSY 1-1. Diagonale Pic croisé Un pic croisé signifie qu il existe un couplage scalaire J entre les 2 protons considérés c est-à-dire que ces deux protons sont voisins dans la molécule. Dr. Julien Furrer 25

26 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 6. Spectres bidimensionnels Spectre RMN 2D COSY 1-1. Voici le spectre bidimensionnel COSY 1-1 de la cyclosporine. Bien que la tâche soit plus aisée, il reste du travail pour prouver la structure! Après, on peut faire de la RMN du carbone, de l azote, des spectres bidimensionnels protoncarbone, proton-azote, et toutes les expériences imaginables susceptibles de nous aider à déterminer la structure des molécules nouvellement synthétisées. diagonale Dr. Julien Furrer 26

27 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 7. Applications La RMN trouvent des applications dans les domaines suivants (liste non exhaustive): Chimie Biologie Physique Cosmétique Pharmacie Toxicologie Analyses environnementales Matériaux / Nanotechnologie Alimentaire Médecine (imagerie) Elle permet d analyser des structures, déterminer des puretés, chercher des polluants,.. et même faire des images de notre cerveau! Dr. Julien Furrer 27

28 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) 7. Applications Structure tridimensionnelle de protéines, ADN, ARN, complexes, RMN structure déterminée à 100% par RMN Dr. Julien Furrer 28

29 La Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) Résumé - La spectroscopie RMN est une méthode non-destructive. - On examine l'interaction magnétique des noyaux atomiques avec un champ magnétique externe, avec l'enveloppe électronique de la molécule et l'un avec l'autre. - La position exacte des résonances (les déplacements chimiques) et sa structure fine (les couplages J) sont influencés par l environnement électronique. - Elle est appliquée dans de nombreux domaines: chimie, biologie, pharmacie, matériaux, Dr. Julien Furrer 29