La Résonance Magnétique Nucléaire: l'oeil du chimiste organicien Auteur: Gueorguiev Boris Voltaire, Genève Encadrante: Mme. Pupier Marion Sciences II - Université de Genève sommaire: 1) introduction RMN... p.1 Qu est-ce que c'est? Comment cela fonctionne? 2) introduction projet... p.2 Présentation de la vanilline, des spectres obtenus. 3) explication de la méthode analytique... p.3-6 Comment interpreter ces spectres? 4) interprétation des spectres... p.6-8 Comment nous avons interprété ces spectres. 5) conclusion, remerciements et sources... p.8
La Résonance Magnétique Nucléaire: l'oeil du chimiste organicien Qu'est ce qu'il peut bien avoir dans mon éprouvette? Une question que les chimistes ont l'habitude de se poser et c'est pour y répondre que la RMN entre en jeu. En effet, cette technique analytique nous permet de déduire très précisément les propriétés d'une molécule organique ainsi que sa structure, sans détruire le produit. Par exemple, une fois qu'un chimiste a synthétisé une nouvelle molécule, il devra faire analyser son échantillon pour s'assurer qu'il n'ait pas synthétisé une autre molécule. D'autres domaines, telle que la médecine, profitent de dérivés de cette technique analytique comme l'imagerie par résonance magnétique utilisée pour dépister certaines maladies. Cependant, la RMN ne permet d'analyser que les composés organiques contenant au moins un atome d'hydrogène et/ou un atome de carbone. Un exemple tout simple: H2O ( eau ) Pour pouvoir analyser un échantillon par RMN, il faut un spectromètre. L'échantillon, introduit dans un tube fait de quartz afin de ne pas altérer l'analyse, y est délicatement inséré pour ensuite se loger dans la sonde. Le spectromètre, et plus précisément sa sonde, va scanner l échantillon et envoyer un signal RMN (signal électrique) qui sera par la suite amplifié et converti en valeurs numériques. La partie compliquée de la chose est la suivante : comment le spectromètre scan-t-il les échantillons? Prenons un proton (atome d'hydrogène, ce qui explique le "Nuclear" de "RMN") pour exemple. Une fois l échantillon positionné dans la sonde, la bobine supraconductrice (aimant refroidit par de l hélium liquide pour maintenir la supraconductivité) qui emmet un champ magnétique, oriente le vecteur de spin du proton, initialement dirigé aléatoirement, vers un pole (d'où le "Magnetic" de "RMN"). La bobine émettrice va ensuite exciter le proton en lui fournissant de l'énergie, ce qui aura pour effet de basculer son spin. Cette absorption d'énergie par le noyau sera enregistrée par la bobine réceptrice sous forme de signal de résonance (d'où la "Résonance" de "RMN ) et le proton reviendra à son état d'équilibre. Finalement, les données enregistrées vont être converties en spectre (graphique) par "Transformée de Fourier". Ce processus peut durer de quelques minutes à plusieurs heures, en fonction du taux de concentration de l'échantillon, de la nature de la molécule, de la puissance du spectromètre et de la résolution du spectre désirée. Intensity Intensity TF Time (s) p.1 Frequency (ppm)
Nous avons travaillé sur la vanilline, un arôme naturel facile à synthétiser. C'est d ailleurs le plus fabriqué dans le monde (environ: 12'000 tonnes par an). Nous avons pesé 3 mg de vanilline et les avons placés dans 2ml d oxyde de deutérium D2O (solvant) pour que la solution atteigne une concentration avoisinant les 10 mm. Nous avons ensuite introduit 0,6 ml de la solution dans un tube de RMN et le tube est placé dans le spectromètre. 1) Structure de la molécule de la vanilline (C 8 H 8 O 3 ): 2) Spectre de RMN 1D du proton1h : p.2
3) Spectres de RMN 1D du carbone 13 et DEPT : comment analyser le spectre d'un proton ou d'un carbone Spectre proton: Sur un spectre, chaque pic est équivalent à un certain nombre de protons. Pour interpréter un spectre, il faut prendre en compte 3 éléments. Le déplacement chimique: Le déplacement chimique permet de déterminer la position relative des fréquences d absorption des protons. Elles s expriment en parties par millions (ppm) et sont lues sur l axe des abscisses. Pour le proton, les déplacements varient entre 0 et 12 ppm en fonction de l environnement chimique dans lequel réside le proton considéré. On peut prédire l'emplacement de certains pics grâce à des tables de calculs. Il faut aussi savoir que plus l'électronégativité des atomes voisins du proton est grande, plus il sera déblindé et son pic se situera plus sur la gauche du spectre. Plus leur électronégativité est petite, plus il sera blindé et son pic se situera sur la droite du spectre. La multiplicité du pic: Un proton peut voir d'autres protons, tant qu ils ne sont pas espacés de plus de trois liaisons. On dit alors que ces protons sont couplés. Si nous prenons l'exemple de H1 dans la molécule de vanilline, nous pouvons observer qu'il n est couplé à aucun autre proton. En revanche, le H2 est couplé H3 car ils ont seulement trois liaisons d'écart entre eux. Suivant le nombre de voisins que possède un proton donné, son pic aura une certaine forme. Cela fait référence à la multiplicité du signal de résonance. Pour connaître la multiplicité d un signal issu d un ou de plusieurs protons, on utilise la formule suivante : nombre de raies = 2nI +1. Avec n correspondant au nombre de voisins du proton et I=1/2 dans le cas du proton. p.3
Ainsi pour H1: 2 x 1/2 x 0voisin + 1 = 1 raie (singulet). Pour H2: 2 x 1/2 x 1voisin + 1 = 2 raies (doublet). Il faut noter que lorsque plusieurs protons sont couplés avec les mêmes voisins (c est-à-dire qu ils ont le même environnement chimique), ils sont dits équivalents et apparaitront sous le même signal de résonance. Les intégrales: L aire sous le signal de résonance est appelée intégrale. Elle est proportionnelle au nombre de protons responsables de ce signal. Dans la molécule de vanilline on peut observer trois protons H4. Comme ils ne sont couplés à aucun proton, ils apparaitront tous les trois sous un singulet. Pour chaque molécule, le ratio aire du pic / nombre de protons est différent. Il faut avoir pour chaque spectre un pic de référence dont on connait le nombre de proton. Spectre 13 carbone et le dept: carbone: Les déplacements chimiques des carbones varient entre 0 et 200ppm. On peut noter quelques différences entre l'analyse des spectres de carbone et ceux du proton. Tout d'abord, du fait de la très faible abondance naturelle du carbone 13 (1,1 %), les couplages 13C- 13C ne sont pas observés. Il n'y a ainsi pas de multiplicité, et donc que des singulets. Par ailleurs, l intégrales des pics n est plus directement proportionnelle au nombre de carbones. DEPT : Les spectres DEPT nous donnent une indication sur la nature des des carbones, que l ont regroupent en quatre catégories : primaire, secondaire, tertiaires et quaternaire. Sur le spectre DEPT, leurs signaux n apparaissent pas de la même façon. Les carbones primaires "- CH 3 -" et tertiaires "-CH-" sont positifs (en intensité). Les carbones secondaires "-CH 2- " sont négatifs (en intensité). Les carbones quatenaires "-C-" n'apparaissent pas sur le spectre. 4) HSQC vanilline: P p.4
5) HSQC vanilline: 6) COSY vanilline: p.5
HSQC, HMBC et COSY: les spectres en 2D Les spectres de RMN 2D nous permettent de déduire les corrélations entre les différents atomes de la molécule. On distingue les spectres de RMN 2D homonucléaires (corrélations proton-proton) des spectres hétéronucléaires (corrélations proton-carbone). Spectres homonucléaires : COSY Les spectres "COSY" nous permettent de déceler les correlations entre protons séparés de 2 ou 3 liaisons. Le spectre proton est observé à la fois dans la dimension verticale et horizontale. Le croisement d interaction entre deux protons nous donne une tache de corrélation. Spectres homonucléaires : HSQC et HMBC Pour les spectres "HSQC, le proton est observé dans la dimension horizontale et le carbone 13 est observé dans la dimension verticale. Seules les interactions directes (carbone-proton situés à une liaison maximum) sont observées. C'est le même principe pour les spectres "HMBC", sauf que cette fois-ci, les corrélations indirectes entre proton et carbone situés à 2 ou 3 liaisons sont observées. Interprétation des spectres Analyse du spectre de RMN 1D proton de la vanilline : Pour commencer l'analyse de cette molécule, j ai interprété le spectre proton 1D. Tout d'abord, nous pouvons identifier sur tous les spectres le signal correspondant au solvant D2O grâce à une table de déplacements chimiques. Il se situe à ~4,7 ppm. Du fait que le solvant est du D2O, le proton associé à la fonction alcool ne sera pas visible, car en constant échange avec le solvant. L intégration des différents signaux nous indique que le signal vers 3,5 ppm compte pour 3 protons. Il s agit des protons H4. Les autres intégrales comptent pour un seul proton. Ensuite nous pouvons observer un singulet tout à gauche du spectre et trois autres pics très proches (ce sont les protons qui sont directement en contact avec le cercle aromatique, donc H1, H2 ou H3). Par élimination, le pic le plus à gauche représente H5. De plus il fait partie de la fonction aldéhyde et sera donc déblindé. Finalement, pour différencier les trois pics très proches il faut s'aider d'une table qui nous permettra,en fonction de leur position dans le cycle aromatique, de déterminer précisément leur déplacement chimique. Déplacement chimique 1H (ppm) Intégrale (nombre de protons) Attribution 7,32 1 H1 7,36 1 H2 6,89 1 H3 3,76 3 H4 9,53 1 H5 Pour identifier un atome d'un spectre à l'autre, il suffit de retenir son déplacement chimique qui sera identique. p.6
Analyse des spectres de RMN 1D carbone 13 et DEPT de la vanilline : Déplacement chimique 13C (ppm) Nature du carbone (Iaire, IIaire ) 56 I 110 III 116 III 128 III 129 IIII 148 IIII 153 IIII 195 III Analyse des spectres de RMN 2D de la vanilline : a) Spectre 2D COSY Le spectre cosy ne nous apprend pas grand-chose sur notre molécule. On peut observer une corrélation entre H2 et H3, mais nous pouvons déduire leur emplacement grace aux autres spectres. On observe une autre corrélation, inutile au résonnement, entre H4 et le solvant. b) Spectre 2D HSQC Pour identifier plus précisément les carbones, nous nous sommes d abord penchés sur le spectre HSQC de la vanilline car il nous informe des liaisons directes entre protons et carbones. Les protons ayant été identifiés précédemment, il sera facile de déterminer quels carbones interagissent avec. Sur le spectre 2D nous observons une corrélation entre le proton H4 et un carbone que nous identifions donc comme C7. Le procédé sera identique pour les carbones C1, C2 et C3. Déplacement chimique 13C (ppm) Attribution 110 C1 128 C2 116 C3 56 C7 c) Spectre 2D HMBC La fin du raisonnement se fera grâce au spectre HMBC (5). Nous pouvons facilement identifier C8, car il interagit avec H1 et H2. De plus, les deux signaux situés au niveau du déplacement chimique de H5 signalent que C8 est en interaction directe avec ce dernier. À ce stade il ne nous reste comme inconnu, que les 3 quaternaires: C4, C5 et C6. Nous pouvons observer qu'ils corrèlent tous les trois avec H1 et H3. En revanche, C5 est le seul à être corrélé avec H4 et non avec H2, ce qui nous indique (à l'aide du schéma de la molécule) sa position exacte. Il ne nous reste que C4 et C6 à différencier. La seule différence au niveau de l interaction avec H5. Si nous regardons sur le schéma de la molécule, c'est bien C6 qui est le plus proche de H5. Par élimination, C4 est le seul à ne pas avoir été nommé. p.7
L attribution des carbones est résumé dans le tableau ci-dessous. Déplacement chimique 13C (ppm) Attribution 110 C1 128 C2 116 C3 153 C4 148 C5 129 C6 56 C7 195 C8 Conclusion: Grâce à la RMN, nous avons pu déduire très précisément les propriétés de la vanilline ainsi que sa structure, tout cela sans endommager le produit, comme pourraient le faire d'autres techniques analytiques. Remerciements: Je tiens tout d abord à remercier les organisateurs de cette semaine, sans qui elle n'aurait pas été possible. J'ai été très satisfait de cette semaine qui fut bien organisée et très enrichissante. Je tiens aussi à remercier Marion Pupier, mon encadrante, qui réussit à m'expliquer de manière intelligible le principe de la RMN tout en répondant à mes nombreuses questions. Finalement je remercie les 11 camarades avec qui j'ai fait plus ample connaissance tout au long de la semaine et avec qui j'ai passé de nombreux très bons moments. Sources: Images: - spectres fournis par Marion Pupier - PowerPoint fournit par Marion Pupier - molécule modélisée avec: "ISIS DRAW" - (spectromètre): http://www.institut-numerique.org/wp-content/uploads/2013/02/appareil-a-et-sch %C3%A9ma-de-RMN-B-Navarrete-Fuentes-2011.png Contenu: - dossier fournit par Marion Pupier au laboratoire, - recherche Wikipédia: http://fr.wikipedia.org/wiki/vanilline p.8