himie organique 1A Introduction à la chimie organique Université de Montréal Faculté des arts et des sciences Département de chimie hapitre 9
hapitre 9 Résonance magnétique nucléaire (RMN) Université de Montréal Faculté des arts et des sciences Département de chimie hapitre 9
Spectroscopie l étude de l interaction entre la matière et l absorbance, l émission ou la transmission de l énergie utilisée pour déterminer la structure moléculaire (e.g. en synthèse organique) infrarouge (IR, FTIR) spectroscopie de masse (SM) résonance magnétique nucléaire (RMN)
Spectroscopie de RMN RMN = Résonance Magnétique Nucléaire basée sur l absorption d énergie (ondes radio) par certains atomes dans des molécules placées dans un champ magnétique permet de déterminer les structures tridimensionnelles des molécules organiques en solution (en incluant certaines protéines!)
Radiation électromagnétique voyage à la vitesse de la lumière (c = ~ 3 10 8 m s -1 ) caractérisée par sa fréquence (ν) ou sa longueur d onde (λ) son énergie est proportionnelle à sa fréquence et inversement proportionnelle à sa longueur d onde : E = hν ; ν = c/λ ; E = hc/λ λ 1 λ 2 E 1 > E 2
Spin nucléaire tous les noyaux sont chargés dans certains noyaux cette charge fait une rotation autour de l axe nucléaire ce spin nucléaire est à l origine du signal RMN chaque noyau atomique est caractérisé par un nombre quantique de spin, I I = 0, ½, 1, etc
Nombre quantique de spin, I les noyaux dont I = 0 n ont pas de spin et ne produisent pas de signal RMN I 0 pour les noyaux dont le nombre atomique, la masse atomique ou les deux sont des nombres impairs e.g., pour 1 1, 2 1, 13 6, 15 N 7, 19 F 9, 31 P 15, I 0 pour 12 6, 16 O 8, 32 S 16, I = 0 visible par RMN invisible par RMN
Moment magnétique nucléaire la rotation des noyaux lui confèrent leur propre moment magnétique (µ) : N µ S
Effet d un champ magnétique en absence d un champ magnétique externe, les moments magnétiques des noyaux d un échantillon sont orientés dans toutes les directions : en présence d un champ magnétique externe (B 0 ), ces moments magnétiques sont soit alignés (α) ou opposés (β) au champ externe : α β α β β α β β α α B 0
États de spin le nombre d orientations qu un noyau peut adopter par rapport à un champ magnétique externe est donné par le formule : 2I + 1 pour 1 1 et 13 6, I = ½, et 2I + 1 = 2 états de spin, +½ et -½ B 0 = 0 B 0 > 0 opposé, moins stable β β E E E B 0 α α même énergie; aligné, dégénérescence plus stable
Équation fondamentale de la RMN les noyaux alignés avec le champ magnétique externe sont stabilisés (α, +½) les noyaux alignés contre le champ magnétique externe sont déstabilisés (β, -½) la différence d énergie entre les deux états de spin est reliée à la force du champ magnétique externe : spin -½, β, opposé E E= hγ 2π B 0 = hν B 0 B 0 (tesla) spin +½, α, aligné
La résonance les noyaux de spin α peuvent absorber de l énergie et subir une inversion de spin (en β) l énergie de cette résonance (α β) a des fréquences radio pour B 0 de 0,1-10 T B 0 E E = hν β -½ +½ α hν E β β -½,-½
Précession du noyau mouvement adopté par un noyau (α, +½) lors de l application du champ magnétique la fréquence de cette précession (ω) correspond à la radiofréquence ayant l énergie nécessaire pour effectuer l inversion de spin +½, α précession, ω B 0 hν= hω B 0 = 0 B 0 > 0 B 0 > 0 -½, β
Fréquences de résonance détectées par les spectromètres à RMN diffèrent faiblement selon l environnement magnétique des noyaux dans une molécule ν (en z) ~ 10-6 B 0 permettent de distinguer entre les noyaux ayant des environnements magnétiques différents déplacements chimiques, δ (ppm du champ) moyennées par des changements de conformation, qui sont rapides par rapport à l échelle de temps d inversion de spin
onformation vs inversion de spin la rotation autour des liens - est plus rapide que le phénomène de l inversion de spin donc, le déplacement chimique observé pour un noyau est déterminé par l environnement magnétique moyen parmi tous les conformères e.g. le groupe méthyle d éthanol présente un seul signal : b b b O a O a a O a a O a δ méthyle = moyen de (δ b + 2 δ a )
Référence de déplacement chimique déplacement chimique (δ) = fréquence de résonance, normalisée par rapport à la force du champ magnétique échelle indépendante du champ échelle relative au δ du standard interne δ = ν (noyau d intérêt) ν (noyau de réf.) ν (appliquée) ν (en z) ν (en Mz) en ppm 3 tétraméthylsilane, TMS : 3 Si 3 3 δ = 0, par définition
Spectromètre à FT champ magnétique constant (et fort: 4.7-18.8 T) tous les noyaux sont excités en même temps par une brève (~10 ms) pulsation de toutes les radiofréquences la relaxation de tous les noyaux de l état excité à l état fondamental (<10 s) donne un seul signal contenant de l information sur les fréquences de résonance de tous les noyaux de la molécule le processus est répété plusieurs fois pour donner un fort signal cumulatif qui donne un spectre de haute résolution
Transformation de Fourier transformation des : données en fonction du temps en données en fonction de fréquence précession, ω B 0 > 0 +½, α hω (10 ms) décroissance du signal de précision libre («FID») relaxation, τ (<10 s) -½, β temps +½, α transformation de Fourier fréquence
hamps induits un champ magnétique externe induit le mouvement d un nuage électronique qui crée un faible moment magnétique (champ induit) qui est opposé au champ externe B 0 B induit B effectif = B 0 - B induit
Blindage et déblindage les variations de la densité électronique autour des noyaux causent leur blindage ou déblindage par rapport au champ magnétique externe blindage : diminution du champ effectif ressenti par un noyau, en raison d une haute densité électronique locale nécessite un champ externe plus fort; ou une plus haute fréquence de résonance déblindage : augmentation du champ effectif ressenti par un noyau, en raison d une basse densité électronique locale nécessite un champ externe plus faible; ou une plus basse fréquence de résonance noyau déblindé champ faible δ noyau blindé δ champ fort
Environnement magnétique affecté principalement par : densité électronique électronégativité (effet inductif) hybridation résonance anisotropie magnétique
Effet de densité électronique l électronégativité des substituants dans le voisinage du noyaux et leur effet inductif affectent la densité électronique autour du noyau diminution de la densité électronique : déblindage des noyaux (δ plus élévé) augmentation de la densité électronique : blindage des noyaux (δ plus bas) 3 F 3 l 3 Br 3 I Si( 3 ) 4 δ 4,26 δ 3,05 δ 2,68 δ 2,16 δ 0,00
Électronégativité des substituants l effet de déblindage par l électronégativité est additif : l 3 2 l 2 3 l δ 7,27 δ 5,30 δ 3,05 et atténué par la distance : 2 R 2 2 Br δ : 1,25 1,69 3,30
Effet de l hybridation on a vu (h. 2) que l électronégativité apparente des carbones augmente avec le caractère s de leur hybridation : -sp 3 -sp 2 (alcène) -sp 2 (aromatique) δ 0,8-4 δ 4,5-7 δ 6 9,5
Effet de la résonance les formes de résonance d une molécule montrent comment la densité électronique peut être délocalisée possibilité de blindage ou déblindage δ ~6,8 ppm O O δ+ 3 3 3 3 δ ~6,2 ppm blindé par résonance; δ ~4,6 ppm O O 3 3 3 3 déblindé par effet inductif; δ ~6,2 ppm
Effet de l anisotropie magnétique l application d un champ magnétique externe (B 0 ) induit une circulation des électrons, perpendiculaire à B 0, ce qui crée un champ induit (B ind ) opposé déjà vu sur une petite échelle pour les atomes pour les groupes fonctionnels riches en densité électronique (liaisons π), l effet peut être très important l effet est induit seulement lorsqu une molécule est perpendiculaire à B 0, alors il dépend de l anisotropie seulement une petite fraction des molécules dans un échantillon seront perpendiculaires à B 0, mais le déplacement chimique (δ) moyen est affecté par ceux des molécules alignées
Exemple de l anisotropie magnétique considérons les liaisons triples terminales : e.g. : acétylène, circulation des électrons π B 0 B induit fort blindage des protons dans l axe; δ = 1,80! champ magnétique induit
Exemple de l anisotropie magnétique considérons les anneaux aromatiques : B 0 e.g. : benzène, circulation des électrons π; courant de cycle B induit champ magnétique induit déblindage des protons à l extérieur; δ = 7 8 B induit
B 00 B0
Exemple de l anisotropie magnétique considérons les aldéhydes : e.g. : acétaldéhyde, 3 O champ magnétique induit B 0 B induit 3 O circulation des électrons π déblindage des protons à l extérieur; δ = 9-10 B induit
Exemple de l anisotropie magnétique considérons les polyalcènes aromatiques : e.g. : [18] annulène : circulation des électrons π; courant de cycle champ magnétique induit B 0 B induit B induit déblindage des protons à l extérieur; δ = 8,9 fort blindage des protons à l intérieur; δ = -1,8!
Tableau des valeurs δ de 1 en tenant compte des effets précedants on peut donner des valeurs approximatives de δ pour certains groupes fonctionnels : Type d'hydrogène δ (ppm) Type d hydrogène δ (ppm) R 3 0,8-1,0 R 2 F 4,3-4,4 R 2 R 1,2-1,4 R l 2 5,8-5,9 R R R R 2 3 R 1,4-1,7 1,6-1,9 R 1,7-3,1 R 2 2 4,6-5,0 Ar 2 R 2,2-2,5 R 2 R 5,2-5,7 O R 3 2,1-2,6 R 2 NR 2 2,1-3,0 R 2 OR 3,3-3,9 Ar 6,0-9,5 O R O R O 9,5-9,9 10-13 R 2 I 3,1-3,3 R O 0,5-5,5 R 2 Br 3,2-3,6 R N 2 0,5-5,5 R 2 l 3,4-3,8 Ar O 4-8
Équivalence chimique les noyaux qui sont chimiquement équivalents (grâce à la symétrie moléculaire et/ou l interconversion conformationnelle) présentent un seul signal au même déplacement chimique (δ) pour vérifier l équivalence chimique, on peut faire un test de substitution, ce qui identifie des hydrogènes : homotopiques (chimiquement équivalents) énantiotopiques (chimiquement équivalents) diastéréotopiques (chimiquement NON équivalents)
Symétrie moléculaire les élements de symétrie tel la présence d un plan miroir ou l équivalence rotationnelle permettent de déceler les noyaux chimiquement équivalents 3 Br Br 3 3 Br 3 Br plan de symétrie; Me équivalents, équivalents 3 Br Br 3 180 3 Br Br 3 superposable après rotation; Me équivalents, équivalents
Interconversion conformationnelle à la température ambiante, l interconversion des conformères est beaucoup plus rapide que le phénomène de résonance les spectres RMN présentent des signaux moyens des différents conformères a b rapide a interconvertis rapidement entre équatorial et axial; 12 équivalents b
ydrogènes homotopiques si le remplacement successif de deux hydrogènes par un autre groupe donne le même composé, les hydrogènes sont homotopiques et chimiquement équivalents l c a b a b D D l c D b c superposables; identiques; a et b sont homotopiques l a D a et b (et c ) sont chimiquement équivalents
ydrogènes homotopiques peuvent être décelés par analyse conformationnelle c c b a l a b a l b c l a b l c a = b a b a b MAIS, lorsque b est entre deux, a est entre et l, et vice versa a et b (et c ) sont chimiquement équivalents
ydrogènes énantiotopiques si le remplacement successif de deux hydrogènes par un autre groupe donne deux énantiomères, les hydrogènes sont énantiotopiques et chimiquement équivalents l Br a b a b D D l Br D b Br images miroirs non superposables; a et b sont énantiotopiques l a D a et b sont chimiquement équivalents
ydrogènes énantiotopiques peuvent être décelés par analyse conformationnelle Br Br b a l a b a l b Br l a b l Br a = b a b a b MAIS, lorsque b est entre deux, a est entre et l, et vice versa a et b sont chimiquement équivalents
ydrogènes diastéréotopiques si le remplacement successif de deux hydrogènes par un autre groupe donne deux diastéréomères, les hydrogènes sont diastéréotopiques et chimiquement non-équivalents 3 l Br a b a b D D 3 l 3 Br D b Br PAS images miroirs (stéréocentre à 2); non superposables; a et b sont diastéréotopiques l a D a et b NE sont PAS chimiquement équivalents
ydrogènes diastéréotopiques peuvent être décelés par analyse conformationnelle 3 Br 3 Br 3 b 3 a l a b a l b Br l a b l Br a b a b a b lorsque b est entre et l, a est entre 3 et l; MAIS, lorsque a est entre et l, a est entre 3 et a et b NE sont PAS chimiquement équivalents
Fragmentation du signal résulte de l effet des champs magnétiques des noyaux non équivalents du voisinage ( 3 liens σ) l a O b aucune fragmentation a b aucun voisin 1 voisin ( b ) a l l b l 2 voisins ( a ) 10 9 8 7 6 5 4 δ (ppm) triplet b 3 2 doublet a 1 0 10 9 8 7 6 5 4 δ (ppm) 3 2 1 0
ouplage spin-spin la fragmentation d un signal est basée sur les effets des états de spin (α ou β) des noyaux du voisinage ceux en α (+½) augmentent le champ effectif local (B eff ) ceux en β (-½) diminuent le champ effectif local (B eff ) a a b l l l pour b : pour a : b en α (+½) : B eff b en β (-½) : B eff a en α,α (+½,+½) : B eff δ a en α,β (+½,-½) OU en β,α (-½,+½) : B eff inchangé a en β,β (-½,-½) : B eff δ δ δ doublet triplet
onstante de couplage, J J est la distance (en z) entre les pics individuels consituant un multiplet le couplage est reciproque; la constante pour le couplage de a à b est identique à celle pour le couplage de b à a permet d identifier quels noyaux sont couplés ensemble la valeur de J est indépendante de B 0 caractéristique d un certain groupe fonctionnel
Multiplicité d un signal a b a b a b b b b J ab J ab J ab J ab J ab J ab a couplé à b : état de spin de b : α β αα αβ ββ ααα ααβ αββ βββ βα αβα βαβ βαα ββα règle N + 1 : si un noyau a N voisins, son signal sera divisé en N+1 pics
Triangle de Pascal rapports des intensités relatives des pics individuels dans les multiplets Nombre de voisins, N Nombre de pics, N + 1 Nom du multiplet (abrév) Rapports d aire des pics 0 1 singulet (s) 1 1 2 doublet (d) 1:1 2 3 triplet (t) 1:2:1 3 4 quadruplet (q) 1:3:3:1 4 5 quintuplet (quin) 1:4:6:4:1 5 6 sextuplet (sex) 1:5:10:10:5:1 6 7 septuplet (sept) 1:6:15:20:15:6:1
Exercice de couplage a b b a a Structure : a a b a b a a a b a b a a b a a a a Motif a : d t d t d Motif b : t t q q sept
Valeurs de J : effet de rotation typiquement pour les protons vicinaux 3 J, où 3 = nombre de liaisons σ intervenantes (vic) l interaction spin-spin est transmise à travers les liaisons par recouvrement électronique donc, 3 J varie selon l angle dièdre θ courbe de Karplus : θ b a 12 a b 3 J (z) b a a a a b b 2 0 60 120 θ ( ) b 180
Valeurs de J : systèmes complexes la règle N + 1 ne s applique que si tous les protons couplés avec le proton observé présentent la même constante de couplage on peut avoir des couplages de second ordre chez les composés rigides O 2 éq 2 J ( 2 éq 2 ax) = 15 z 3 J ( 2 éq 1 ax) = 5 z 2 ax 2 éq : 1 ax 2 J éq-ax «doublet de doublets» 3 J éq-ax 3 J éq-ax
Tableau des valeurs typiques de J c est utile de savoir des valeurs approximatives de J pour certains groupes fonctionnels : Groupe J (z) Groupe J (z) ortho: 6-10 0-18 méta: 1-3 para: 0-1 (géminé) 6-8 R R 0-3 (vicinal) (allylique) 0-1 R 0-3 R R R 6-12 12-18
Analyse des spectres de RMN 1) intégration : nombre de protons équivalents 2) déplacement chimique (δ) : environnement 3) multiplicité : nombre de protons voisins 4) constantes de couplage (J) : informations structurales
Analyse d un spectre RMN 6 13 l (0 insat.) s, 2 s, 6 l t, 3 q, 2 10 9 8 7 6 5 δ (ppm) 2 déblindé sans voisin : l 2 4 3 2 1 2 Me sans voisin : 3 0 Et typique : 2 3 3
Analyse d un spectre RMN 8 9 Br (4 insat.) multiplet Br t t 5 2 2 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 δ (ppm) 5 aromatiques : 2 avec 2 voisins : 2 déblindé avec 2 voisins : Br 2 2
Analyse d un spectre RMN 4 8 O (1 insat.) O s 3 d (5 z) d (18 z) 1 d (18 z) de q (5 z) 1 3 3 avec 1 voisin : 3 10 9 1 vinylique avec 1 voisin trans : 8 7 6 5 4 3 2 δ 1 (ppm) vinylique avec 1 voisin trans plus 3 voisins : 3 1 0 3 déblindé sans voisin : 3 O
Équivalence chimique vs magnétique a b e.g.: équivalence chimique et magnétique : l e.g.: équivalence chimique sans équivalence magnétique : N a ' b ' a b ' a ' 2 a chimiquement équivalents 2 b chimiquement équivalents b " b 2 a chimiquement équivalents couplent de façon identique avec les 3 b chimiquement équivalents MAIS a n est pas couplé à b de façon identique qu il est couplé à b ' : 3 J ab 5 J ab' ; b et b ' sont magnétiquement non equivalents l
Force relative de couplage deux protons sont dits faiblement couplés (1 er ordre) s ils sont plus separés que couplés ( ν/j > 8) deux protons sont dits fortement couplés (2 ième ordre) s ils sont à peine plus separés que couplés ( ν/j < 8) a b ν/j = 9 ν/j = 5 ν/j = 2 ν/j = ~1 50 40 30 20 10 0 z 10 20 30 40 50
Faible déviation du premier ordre les patrons de couplages sont analysés comme des systèmes de couplage de premier ordre, en notant la légère dissymétrie des multiplets due au couplage de deuxième ordre b' c' d e 2 3 3, t 5, m a-c non équivalence magnétique a b c 2, q d e 10 9 8 7 6 5 δ (ppm) 4 3 2 1 0
Phénomènes dynamiques considérons les effets de deux processus normalement rapides (par rapport à l échelle de temps de la RMN) : interconversions conformationnelles échange de protons
Interconversions conformationnelles cyclohexane-d 11 : D D D D D D D D t.p. : un signal 1 ; interconv. rapide D D D D D D D D D D D D D D < -100 : deux signaux 1 ; interconv. lente diméthylformamide (DMF) : O O 3 3 N N 3 3 t.p. : deux signaux 3 ; rotation lente > 130 : un signal 3 ; rotation rapide
Échange des protons les protons rattachés aux atomes ectronegatifs (O et N) peuvent être rapidement échangés avec des protons (ou deuterons!) en solution par conséquent, ces protons ne sont pas couplés avec les protons voisins comme attendu; l échange effectue le découplage des spins a O b 2 aucun couplage c 3 s, 1 a q, 2 b t, 3 c 10 9 8 7 6 5 4 δ (ppm) 3 2 1 0
Spectroscopie RMN du carbone 13 très importante pour déterminer les structures des squelettes carbonés des composés organiques signal est dû au noyau 13, dont l abondance naturelle est faible : 1,1 % spectres plus simples!
Aucun couplage carbone-carbone puisque l abondance naturelle de 13 est faible, il est peu probable d en trouver deux à côté l un de l autre dans assez de molécules pour donner lieu aux couplages observables pas de couplage -! 13 peut coupler à 1, mais la plupart des spectres de RMN- 13 sont enregistrés avec découplage du proton en bande large spectres plus simples : un pic par équivalent
Déplacements chimiques en RMN 13 rapportés par rapport au signal de TMS affectés par le blindage et le déblindage comme on a vu pour les protons O a a b c l b c Dl 3 TMS 200 180 160 140 120 100 80 δ (ppm) 60 40 20 0
Tableau des valeurs δ de 13 valeurs approximatives de δ pour certains groupes fonctionnels : Type de δ (ppm) Type de δ (ppm) Type de O δ (ppm) R 3 0 40 R 2 R 10 50 RR 2 15 50 60 90 100 170 O N 150 180 X 10 65 X = l, Br, NR 2 100 170 O O 160 185 O 50 90 N 120 130 182 215
Spectres RMN 13 sans découplage en enregistrant un spectre sans découplage 13-1, on peut déterminer le nombre d hydrogènes sur chaque carbone la règle N + 1 s applique : avec 0 : singulet avec 1 : doublet avec 2 : triplet avec 3 : quadruplet par contre, la superposition des pics des multiplets rend ces spectres souvent difficiles à interpréter
Spectre RMN 13 DEPT spectre d augmentation sans déformation par transfert de polarisation («distortionless enhanced polarisation transfer») permet de visualiser seulement des carbones portant un certain nombre d hydrogènes soit 3 ou 2 ou ou la combinaison des quatre types de spectres permet d ajouter des informations au niveau du degré de substitution des carbones au spectres simples avec découplage du proton en bande large
Analyse des spectres RMN 13 DEPT l expérience DEPT permet de savoir le nombre de sur chaque présentant un pic dans un spectre simple découplé O a b c O d 2 3 d c b a Dl 3 TMS 200 180 160 140 120 100 80 δ (ppm) 60 40 20 0
RMN bidimensionnelle (2D) techniques de couplage spin-spin très puissantes pour déterminer la connectivité des atomes dans une molécule théorie trop difficile pour ce cours comporte un spectre unidimensionnel habituel sur chacun des axes horizontal et vertical et un ensemble de pics de corrélation dans le champ x-y corrélation 1-1 (OSY) corrélation 13-1 (ETOR)
orrélation 1-1 (OSY) spectre de 1 sur chaque axe (et sur la diagonale) pics croisés hors de la diagonale donnent l information sur le couplage permet de voir quels sont couplés à quels b c a " b - a " b c c O a ' O a ' a "- a ' b - a ' a " l c b - c 4 3 2 1 0 δ (ppm) 5 4 3 2 δ (ppm) 1 0 5
orrélation hétéronucléaire (ETOR) spectres de 13 sur l axe x et de 1 sur l axe y c 3 b O 2 1 l 3- c c 1 0 pics de corrélation donnent l information sur la connectivité c c a ' a " 1- a " a " 3 2 δ (ppm) permet de voir quels sont rattachés à quels 2- b 2 Dl 3 1- a ' 1 3 a ' b 4 5 100 90 80 70 60 50 40 δ (ppm) 30 20 10 0
Imagerie par résonance magnétique (IRM) les protons dans les biomolécules (et tissus) sont visibles par résonance magnétique le temps de relaxation pour le retour d un noyau excité à son état fondamental varie selon l environnement du noyau les différents tissus mous présentent des temps de relaxation différents ce qui permet de les distinguer et visualiser e.g. tumeurs, lésions et oedèmes
Exercices recommandés Problèmes : 9.1-9.11, 9.27, 9.29(a,b,e,h,j,k,m), 9.31, 9.33-9.37 fiches des valeurs de δ ou de J δ = 6,0 9,5 ppm