ompléments - hapitre 5 Spectroscopie Spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN 13 ) Tandis que la spectroscopie RMN 1 H fournit des données sur la disposition des atomes d'hydrogène dans une molécule, la spectroscopie RMN 13 nous renseigne sur le squelette carboné. L isotope le plus abondant du carbone, soit le carbone 12, ne possède pas de spin nucléaire à l inverse du carbone 13. Or, le carbone 13 ne constitue que 1,1 % des atomes de carbone trouvés dans la nature. Par ailleurs, la différence d énergie entre les états de spin de haut et de bas niveau du 13 est très petite. Pour ces deux raisons, les spectromètres RMN 13 doivent être extrêmement sensibles. Heureusement, les spectromètres RMN-TF (à transformée de Fourier) à haut champ d aujourd hui sont assez puissants et sensibles ; c est pourquoi la spectroscopie RMN 13 est devenue une technique courante. Une molécule m a dit La RMN en biologie et en médecine L imagerie par résonance magnétique (IRM) est une technologie utilisée pour produire une image du cerveau. Dans le chapitre 5 et ses compléments, nous nous sommes arrêtés à présenter les rudiments de la spectroscopie RMN et des exemples de détermination de structure. Toutefois, en appliquant la technologie des ordinateurs, particulièrement celle des microprocesseurs, à l instrumentation RMN, le domaine s est rapidement développé et de nombreuses techniques de pointes se sont ajoutées*. Par exemple, il est possible de produire des spectres en faisant varier la température (de 180 à 200 ) et de quantifier ainsi la vitesse de phénomènes comme la rotation autour des liaisons simples, le basculement des conformations chaises du cyclohexane, l inversion de l azote dans les amines et les réactions radicalaires (voir l halogénation radicalaire au chapitre 6). *Pour d excellentes descriptions de ces techniques, voir :Mohan, J. Organic Spectroscopy, 2 ème édition Harrow, U.K., Alpha Science International Ltd., 2004. himie organique 1 hapitre 5 omplément 2008 Les Éditions de la henelière inc. 1
À l aide d autres techniques, il est possible d obtenir non seulement des spectres 13 pour tous les atomes de carbone d une molécule, mais aussi ceux des groupes H 3 uniquement (ou des groupes H 2 ou H), ce qui facilite considérablement la détermination de la structure des molécules biologiques complexes. ertaines autres techniques permettent de localiser les groupes voisins les uns des autres dans l espace au sein d une même molécule, malgré leur éloignement dans la chaîne carbonée, ce qui s avère précieux pour étudier la conformation des molécules complexes. On a maintenant réalisé le plein potentiel de la spectroscopie RMN pour contourner certaines difficultés en biologie et en médecine. En effet, les appareils sont désormais suffisamment sensibles pour analyser des liquides biologiques entiers comme l urine, le plasma sanguin, le sperme, le liquide céphalo-rachidien et les liquides oculaires. La protéine créatinine, par exemple, est un métabolite normal excrété dans l urine à une concentration de l ordre du millimolaire. Les singulets, correspondant à ses groupes H 3 (δ = 3,1 ppm) et H 2 (δ = 4,2 ppm), sont facilement observables à cette faible concentration à l aide d un spectromètre à haute résolution (500 MHz), malgré la présence de tous les autres constituants de l urine. Sa concentration, qui peut être mesurée en quelques minutes, est un bon indicateur de la fonction rénale. La spectroscopie RMN sert aussi à déceler les maladies héréditaires du métabolisme dans l urine des nourrissons. H 3 H 2 N NH NH O créatinine D autres liquides biologiques fournissent aussi des renseignements utiles en médecine. La surveillance continue de la présence des lipoprotéines de faible et de haute densité dans le plasma sanguin permet de comprendre l évolution des maladies cardiaques. L analyse du sperme pourrait servir à traiter les problèmes d infertilité. Les spectres RMN du liquide céphalo-rachidien des nourrissons sont étudiés par les neurologues et révèleront peut-être de nouvelles pistes sur les troubles du cerveau**. Le 31 P, le 23 Na et le 19 F figurent parmi les noyaux ayant un spin et jouant un rôle important en biologie. Des appareils ont été développés pour obtenir des spectres RMN de parties anatomiques intactes chez l humain et l animal. Par exemple, des spectres 31 P d un muscle de l avant-bras d un humain (l avant-bras est placé directement dans le champ magnétique) mesurés avant, pendant et après un exercice ont permis de suivre dans le temps plusieurs constituants du tissu musculaire contenant du phosphore dont notamment l adénosine triphosphate (ATP), la phosphocréatine et le phosphate inorganique. En comparant les variations de concentration de ces constituants chez des ** Pour de l information supplémentaire, voir : Bell, J. D., J.. Brown et P. J. Sadler. «RMN spectroscopy of Body Fluids», hemistry in Britain, 1988, p. 1021-1024. himie organique 1 hapitre 5 omplément 2008 Les Éditions de la henelière inc. 2
gens normaux par rapport aux patients souffrant de maladies musculaires, on peut en apprendre plus sur la nature de la maladie et concevoir des traitements. En RMN topique, l aimant de l appareil est amené jusqu à l objet d étude et non l inverse. Une sorte de sonde magnétique placée sur l objet induit alors une résonance des molécules situées en surface et c est ainsi qu on peut obtenir des spectres 1 H, 13 ou 31 P de molécules in vivo. ette technique a été employée, par exemple, pour observer les effets de divers médicaments sur le métabolisme. L imagerie par résonance magnétique (IRM) est une technique utilisée sur des patients en milieu hospitalier depuis le milieu des années 1980. Elle permet d obtenir des images de l intérieur de parties corporelles entières et offre plusieurs avantages par rapport aux rayons X. Pour les uns, elle est beaucoup moins dangereuse puisqu elle n endommage pas les tissus par les radiations. Pour les autres, elle donne des images claires des tissus mous, ce qui est très difficile avec les rayons X. omment l IRM fonctionne-t-elle? Un grand pourcentage du corps humain est constitué d eau. Dans la plupart des techniques d IRM, on mesure le spectre 1 H de l eau de divers tissus (le 31 P est aussi employé) pour créer des images. Toutefois, l aimant doit être très gros : son diamètre intérieur doit être d au moins 25 cm pour que la tête d un humain puisse y être logée, voire même l organisme entier! Heureusement, le champ magnétique n a pas besoin d être uniforme comme c est le cas lorsqu on détermine la structure à l aide de la RMN à haute résolution, si bien qu il est concevable de construire de tels aimants. La présence d un gradient de champ plutôt que d un champ uniforme est cruciale. L intensité du champ peut aussi être considérablement plus faible que celle utilisée en recherche, ce qui est une chance vu le coût élevé de ces gros aimants. La durée d une séance d IRM varie de 30 secondes à 10 minutes, avec une moyenne d environ 2 minutes. Les images sont constituées en choisissant des coupes dans différents plans du corps ou des images en trois dimensions. L illustration au début de la présente rubrique montre l image d un cerveau humain obtenue par IRM. La principale utilité de l IRM est sans contredit le diagnostic médical, mais l IRM peut notamment servir en science des aliments pour évaluer les conditions nécessaires à la cueillette, au stockage et à la mise en marché des aliments, en agriculture pour étudier la germination des graines, et dans le bâtiment lorsqu il s agit d évaluer la concentration et la distribution de l eau dans le bois de charpente. Pour de plus amples détails, voir : Radda, G. K. «The Use of RMN Spectroscopy for the Understanding of Disease», Science, 1986, 233, p. 640-645. Pour en savoir plus sur l IRM, voir : Morris, P. G. Nuclear Magnetic Resonance in Medicine and Biology, Oxford, England, larendon Press, 1986. Ross R., B. Goodpaster, D. Kelley et F. Boada. «Magnetic resonance imaging in human body composition research. From quantitative to qualitative tissue measurement», Annals of the New York Academy of Sciences, 2000, 12(7), p. 904. himie organique 1 hapitre 5 omplément 2008 Les Éditions de la henelière inc. 3
La résonance magnétique nucléaire, découverte par des physiciens, a été développée par des chimistes et elle est aujourd hui mise en application par des biologistes et d autres scientifiques. À ses débuts, nul ne pouvait soupçonner les bienfaits de ses applications. Son histoire démontre bien qu il peut être très sage de s engager en recherche fondamentale sans se préoccuper immédiatement des applications pratiques. Les spectres du carbone 13 diffèrent des spectres du 1 H sur plusieurs points. Les déplacements chimiques (δ) en RMN 13 sont plus étendus que ceux de la RMN 1 H. es déplacements sont mesurés à partir du même composé de référence, le TMS, dont tous les atomes de carbone méthyliques sont équivalents et produisent un signal bien défini. Les déplacements chimiques du 13 sont aussi mesurés en unités de δ, mais ils apparaissent habituellement dans la région située environ de 0 ppm à 200 ppm vers les champs plus faibles par rapport au TMS (au lieu d une plus petite région variant de 0 ppm à 13 ppm pour le 1 H). Grâce à cette gamme étendue de déplacements chimiques, les spectres 13 sont moins complexes que les spectres 1 H. À cause de la rareté naturelle du 13, la probabilité de rencontrer deux atomes de 13 adjacents dans une même molécule est faible. est la raison pour laquelle le couplage spin spin 13 13 n a habituellement pas lieu. et état de fait simplifie les spectres 13. En revanche, le couplage spin spin 13 1 H peut survenir. On peut prendre le balayage d un spectre de manière à ce que le couplage figure ou non sur le tracé, selon les besoins. La figure 5.a présente le spectre RMN 13 du butan-2-ol mesuré avec et sans couplage 13 1 H. Le spectre sans couplage 1 H (appelé spectre avec découplage du proton) présente quatre singulets bien définis, un pour chacun des types d atomes de carbone. Le signal de l atome de carbone portant le groupe hydroxyle apparaît à des champs plus faibles (δ = 69,3 ppm), et les signaux des deux atomes de carbone méthyliques sont bien séparés (δ = 10,8 ppm et 22,9 ppm). Dans le spectre avec couplage 13 1 H, la règle n + 1 s applique. Le signal de chaque type de noyau de 13 est scindé à cause des noyaux de 1 H qui leur sont directement liés. Le signal des deux groupes H 3 est un quadruplet (trois atomes d'hydrogène, par conséquent, n + 1 = 4), l atome de carbone du H 2 donne un triplet et celui du H un doublet. Remarque : Dans un spectre RMN 13 avec découplage du proton, chaque type d atome de carbone est représenté par un singulet. himie organique 1 hapitre 5 omplément 2008 Les Éditions de la henelière inc. 4
Figure 5.a Spectre RMN 13 du butan-2-ol avec (en haut) et sans (en bas) couplage 13 1 H. Les valeurs de δ sont affichées dans le spectre du bas. Le solvant utilisé est le Dl 3. himie organique 1 hapitre 5 omplément 2008 Les Éditions de la henelière inc. 5
Exemple 5.a Décrivez le spectre RMN 13 du H 3 H 2 OH. Solution Le spectre RMN 13 avec découplage 13 1 H est constitué de deux signaux, car deux atomes de carbone non équivalents sont présents (leur signal correspond à δ H3 = 18,2 ppm et δ H2 = 57,8 ppm). Sans le découplage 13 1 H, le signal à δ = 18,2 ppm se manifeste par un quadruplet (trois H liés au ) et celui qui est à δ = 57,8 ppm par un triplet (2 H liés au ). Exercice 5.a Quelles sont les principales caractéristiques du spectre RMN 13 de H 3 H 2 H 2 OH? Exercice 5.b À combien de signaux peut-on s attendre dans le spectre RMN 13 avec découplage du proton du : a) 2-méthylpropan-2-ol? c) 2-méthylpropan-1-ol? b) cyclopentanone? d) cis-1,3-diméthylcyclopentane? Solutionnaire des exercices du complément 5.a. Le spectre sans couplage avec les hydrogènes présente trois signaux sous forme de singulets dont les déplacements chimiques sont : δ =65 ppm δ =32 ppm δ = 11 ppm H 3 H 2 H 2 OH 3 2 1 Le spectre avec couplage des hydrogènes présente trois signaux, dont les déplacements chimiques sont les mêmes que pour le spectre RMN 13 sans couplage, mais où la multiplicité change. En effet, les signaux du carbone 1 et du carbone 2 sortent sous la forme d un triplet et celui du carbone 3 sous la forme d un quadruplet, respectant ainsi la règle du n + 1. 5.b a) Deux signaux seront observés, un pour les trois carbones du groupement méthyle et l autre pour le carbone lié à l oxygène : H3 H 3 OH H3 himie organique 1 hapitre 5 omplément 2008 Les Éditions de la henelière inc. 6
b) Trois signaux seront observés : O c) Trois signaux seront observés : H3 H H 2 OH H3 d) Quatre signaux seront observés: H 3 H 3 himie organique 1 hapitre 5 omplément 2008 Les Éditions de la henelière inc. 7