T S / PHYSIQUE-CHIMIE OBSERVER, ONDES ET MATIERES Chapitre 7 : Spectres RMN du proton
I. Origine et obtention d un spectre RMN A/ Origine Un spectre de RMN (Résonance Magnétique Nucléaire) est une technique d analyse utilisée en physique-chimie. Elle exploite les propriétés magnétiques de certains noyaux d atomes. On étudiera en T S la résonance magnétique du «proton» qui exploite l interaction entre un rayonnement électromagnétique et le noyau de l atome d hydrogène (qui est donc constitué d un seul proton). Le proton placé dans un champ magnétique peut passer d un niveau d énergie à un autre lorsque l onde se situe à une certaine fréquence appelée fréquence de résonance. Tous ces éléments expliquent le nom de Résonance Magnétique Nucléaire du proton.
A/ Déplacement chimique Lors d une analyse RMN, selon leurs environnements chimiques, les groupes de protons vont avoir des «déplacements chimiques» différents. Plus le proton sera proche d atomes électronégatifs plus son déplacement chimique sera grand. Le déplacement chimique est noté δ et s exprime en ppm (parties par millions). Afin d avoir une référence on utilise le tétraméthylsilane (TMS). Le déplacement chimique des protons de cette molécule servira de 0 de référence et sera placé le plus à droite possible sur le spectre. δ (ppm) Zone où apparaitront les pics correspondant aux autres protons Il n y a pas d axe ni d unité pour les ordonnées qui correspondent en fait à l intensité du signal 0
B/ Protons équivalents Sont appelés protons équivalents les protons ayant le même environnement chimique. Ainsi les groupes de protons équivalents auront les mêmes fréquences de résonance et les mêmes déplacements chimiques. Exemples : les protons de la même couleur dans les exemples ci-dessous sont des protons équivalents. 4 groupes de protons équivalents 2 groupes de protons équivalents Distinguer les groupes de protons équivalents est un élément indispensable de la spectroscopie RMN! 4 groupes de protons équivalents
C/ Multiplicité du signal et règle des (n+1)-uplets Un signal est obtenu pour chaque groupe de protons équivalents. Il peut comporter plusieurs pics, ceci dépend des protons voisins du groupe de protons étudié, pour n protons équivalents voisins on obtiendra un (n+1)uplet. C est-à-dire si un groupe de proton équivalent a 4 protons équivalents voisins on obtiendra un quintuplet. On appelle proton voisin les atomes d hydrogène situé à trois liaisons au maximum de distance. Exemple : Protons en bleu : 1 voisin (le proton en vert) donnera un doublet Protons en rouge : 2 voisins (ceux en noir) triplet Protons en noir : 4 voisins (ceux en rouge et en vert) quintuplet Proton en vert : 8 voisins (ceux en bleu et en noir) nonuplet
Exercice d application Identifier les groupes de protons équivalents sur la molécule ci-dessous et indiquer la multiplicité des signaux.
Correction exercice d application Groupe de protons 3 protons en noir 2 protons en bleu 3 protons en vert Nombre de voisins 2 (ceux en bleu) Multiplets Triplet 3 (ceux en noir) Quadruplet Aucun Singulet
D/ Intégration du signal Voici un exemple de spectre RMN «réel» obtenu. L aire sous chaque pic est proportionnelle au nombre de protons équivalents qu il représente. Aussi la courbe d intégration permet de transformer les surfaces en hauteur dont les valeurs sont aussi proportionnelles au nombre de protons.
E/ Table des déplacements chimiques En terminale on utilisera une table simplifiée des déplacements chimiques : Proton du groupement δ (ppm) Alcane C-H 1 Alcool O-H 5 Aldéhyde 9 Acide carboxylique R-COO-H > 10 On notera toutefois que comme nous l avons vu précédemment le déplacement chimique de chaque proton dépend de son environnement chimique.
E/ Table des déplacements chimiques En terminale on utilisera une table simplifiée des déplacements chimiques : Proton du groupement δ (ppm) Alcane C-H 1 Alcool O-H 5 Aldéhyde 9 Acide carboxylique R-COO-H > 10 On notera toutefois que comme nous l avons vu précédemment le déplacement chimique de chaque proton dépend de son environnement chimique.
III. Analyses de spectres RMN A/ Exemples Propane δ (ppm) 0,9 1,4 Multiplicit é Triplet Heptuplet Nombre de voisins 2 6 h = 1 h = 3 Intégratio n (total de 8 protons) Protons correspon dants 1 x 8 = 2 3 x 8 = 6 1+3 1+3 Les 6 H en noir Les 2 H en bleu
III. Analyses de spectres RMN Exercice : donner le nom de la molécule et interpréter le spectre RMN.
III. Analyses de spectres RMN Corrigé : δ (ppm) 1,1 2,2 4 Propan-2-ol Multiplici té Nombre de voisins Intégratio n (total de 8 protons) Protons correspo ndants Doublet Singulet Heptuplet 1 (0) 6 6 1 1 H central H du groupem ent alcool H de part et d autre (CH 3 ) Soutien scolaire Besançon