Savais-tu que la détermination de la structure moléculaire est l'un des obstacles les plus difficiles à surmonter pour les chimistes ? Mais grâce aux technologies modernes, cette mission est devenue plus aisée !
Disons que tu as isolé une nouvelle protéine jusqu'alors inconnue de la science. Tu sais qu'elle contient, par exemple, des groupes hydroxyles et des groupes soufrés, mais tu ne sais pas où ils se trouvent dans la molécule, ni comment la chaîne protéique se replie dans sa forme tridimensionnelle. En utilisant la spectroscopie RMN ou bien la résonance magnétique nucléaire, tu seras capable de déterminer l'emplacement de ces groupes et la structure de la protéine à l'aide du spectre RMN généré.
- Dans ce résumé de cours, nous allons présenter le sujet de la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire RMN.
- Nous commencerons par explorer le noyau atomique, l'isotope et principe de la spectroscopie RMN.
- Nous examinerons ensuite la spectroscopie RMN du proton et carbone \( 13 \) .
- Puis, nous explorerons le spectre RMN et le déplacement chimique.
- Nous terminerons par l'appareillage de la spectroscopie RMN et les utilisations de la spectroscopie RMN.
Noyau atomique
Le noyau de l'atome, également appelé noyau atomique, est le petit centre sphérique et dense d'un atome. Le noyau contient deux particules subatomiques : les protons et les neutrons.
Les protons sont des particules chargées positivement dont la masse est d'environ \( 1 uma \) (unité de masse atomique). Le nombre de protons dans un atome est connu sous le nom de numéro atomique. Le numéro atomique, ou nombre de protons, détermine l'identité de l'atome. Chaque type d'élément du tableau périodique possède un nombre différent de protons. L'hydrogène a un numéro atomique de \( 1 \) car il ne possède qu'un seul proton. L'azote a sept protons.
Comme les protons ont une charge positive, la charge globale du noyau sera toujours positive, quel que soit le nombre de protons présents.
Le noyau atomique contient également une autre particule subatomique appelée le neutron. Les neutrons n'ont pas de charge (c'est-à-dire qu'ils sont neutres) et ont une masse presque égale à celle des protons. Les neutrons remplissent deux fonctions principales. Les neutrons donnent de la masse à un atome. Ils sont les particules subatomiques qui se décomposent lors de tout type de désintégration nucléaire, libérant ainsi de l'énergie.
Isotope
La modification du nombre de neutrons ne change pas l'identité de l'atome ; elle peut toutefois modifier sa masse atomique.
Les atomes d'un même élément ayant un nombre de neutrons différent sont appelés isotopes.
Résonance magnétique nucléaire : RMN
La spectroscopie RMN, abréviation de spectroscopie par résonance magnétique nucléaire, est une technique d'analyse que nous utilisons principalement pour découvrir la structure des molécules. Elle est basée sur le comportement de certains noyaux dans un champ magnétique externe.
La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire RMN fournit à l'utilisateur une représentation visuelle des pics de résonance associés aux atomes ou aux groupes fonctionnels composant un composé. Grâce à la spectroscopie RMN, les chercheurs peuvent déterminer la composition d'une molécule, ainsi que sa structure potentielle.
Spectroscopie RMN : Principe
Il existe deux types principaux de spectroscopie RMN, utilisant des molécules basées de \( ^{1}H \) et \( ^{13}C \) .
Les molécules contenant \( ^{1}H \) et \( ^{13}C \) possèdent des noyaux avec des moments magnétiques. Lorsque ces composés sont exposés à un champ magnétique, les noyaux se mettent à tourner. La fréquence de cette rotation peut alors être utilisée pour produire une représentation visuelle du composé basée sur la réponse du composé au champ magnétique.
Alors, comment fonctionne la RMN ? Lorsqu'il effectue une spectroscopie RMN, le scientifique doit d'abord déterminer s'il va travailler avec des éléments suivants \( ^{1}H \) et \( ^{13}C \) . Ensuite, le spectromètre, l'instrument utilisé pour effectuer l'analyse RMN, sera réglé sur la fréquence associée à l'un ou l'autre des composés suivants \( ^{1}H \) et \( ^{13}C \) .
La molécule sera ensuite dissoute dans un solvant deutéré. Les solvants deutérés contiennent du deutérium, un isotope lourd de l'hydrogène. Les solvants deutérés sont utilisés, car le spectromètre ne détecte pas la présence de deutérium, ce qui permet à la machine d'obtenir une lecture précise des molécules contenues dans la solution.
La cuvette contenant l'échantillon est ensuite placée entre les deux pôles d'un aimant puissant. On fait tourner l'échantillon pour répartir uniformément le champ magnétique. Ensuite, un rayonnement de radiofréquence \( \left (rf \right ) \) est appliqué à l'échantillon ; les atomes qui absorbent l'énergie \( rf \) produisent un signal de résonance. Un récepteur spécial est passé au-dessus de l'échantillon pour acquérir ces lectures de signaux de résonance à partir du spectromètre.
À partir de ces relevés, une représentation visuelle des signaux est affichée dans un format graphique appelé spectre RMN.
Déplacement chimique
Le déplacement chimique est une quantité liée à la fréquence de résonance, qui, comme tu le sais, est l'énergie absorbée par les noyaux lorsqu'ils basculent dans leur état antiparallèle.
Nous donnons au déplacement chimique le symbole \( \delta \) et le mesurons en partie par million, ou \( ppm \) . Il s'agit en fait des différences de fréquence de résonance entre les noyaux de l'échantillon et une molécule de référence appelée tétraméthylsilane. Également appelée TMS, elle donne un pic à la valeur \( 0 \) sur le spectre, et toutes les autres molécules prennent des valeurs supérieures à celle-ci. Plus un noyau est protégé du champ magnétique par des électrons, plus sa fréquence de résonance et sa valeur de déplacement chimique sont faibles, et plus il sera proche du \( TMS \) dans le spectre.
Tétraméthylsilane
Le tétraméthylsilane, ou \( TMS \) , est une molécule que nous utilisons comme référence en spectroscopie RMN. Comme nous l'avons expliqué plus haut, la valeur de son déplacement chimique est de \( 0 \) . Tous les autres noyaux ont des valeurs de déplacement chimique supérieures à cette valeur. Le \( TMS \) est constitué d'un atome de silicium lié à quatre groupes méthyles, ce qui lui donne la formule suivante \( Si \left (CH_3 \right )_{4} \) .
Le \( TMS \) est utile comme molécule de référence pour les raisons suivantes.
- Il possède quatre atomes de carbone dans des environnements identiques, ce qui signifie qu'il donne un signal fort et clair.
- Il a un faible point d'ébullition et est donc facile à éliminer de l'échantillon une fois l'analyse terminée.
- Il est inerte et non toxique. Tu ne dois pas craindre qu'il réagisse avec quoi que ce soit dans ton échantillon.
Types de spectroscopie RMN
Tout atome dont le nombre de masse est impair possède un spin nucléaire et peut donc être utilisé en spectroscopie RMN. Cependant, cela n'est pas toujours très utile pour déterminer la structure des molécules. Par exemple, quel est l'intérêt de rechercher des pics produits par des atomes si ta molécule ne contient qu'un atome de chlore ? Tu peux obtenir des informations sur les groupes liés à cet atome particulier, mais pas sur le reste de la molécule ! D'autres atomes sont beaucoup plus courants dans les molécules organiques : le carbone et l'hydrogène.
Spectroscopie RMN du carbone \( 13 \)
Le carbone \( 13 \) est un isotope du carbone.
Les isotopes sont des atomes d'un même élément dont le nombre de neutrons est différent.
L'isotope le plus courant du carbone est le carbone \( 12 \) . Il possède six protons et six neutrons dans son noyau. Cependant, une petite proportion - environ un pour cent - de tous les atomes de carbone est constituée de carbone \( 13 \) . Ils ont également six protons dans leur noyau, mais contiennent sept neutrons, ce qui leur donne une masse atomique de \( 13 \) .
Le carbone est un élément important en chimie organique. Il constitue l'épine dorsale de nombreuses molécules différentes. Son abondance le rend parfait pour l'analyse par RMN, car il peut nous donner des informations sur de nombreuses parties différentes de la molécule cible.
Mais si seulement un pour cent de tous les atomes de carbone est des carbones \( 13 \) , comment peuvent-ils produire des pics sur le graphique ? Eh bien, nous savons que les atomes de carbone \( 12 \) ont un nombre de masse pair et n'ont donc pas de spin nucléaire. Ils n'absorbent aucune onde radio, car ils n'ont pas d'état antiparallèle vers lequel basculer. Cela signifie que tous les pics d'un spectre RMN du carbone 13 doivent être causés par des atomes de carbone \( 13 \) . Même si seule une infime proportion de tous les atomes de carbone est constituée de carbone \( 13 \) , il y a tellement de molécules du composé cible dans un échantillon qu'il y aura toujours au moins quelques atomes de carbone \( 13 \) présents. Le détecteur capte les pics qu'ils produisent, aussi petits soient-ils.
Pour effectuer une spectroscopie RMN du carbone \( 13 \) , on utilise généralement le tétrachlorure de carbone comme solvant \( CCl_{4} \) . Les pics produits prennent des valeurs allant de \( 0 \) à environ \( 200 \) .
Spectroscopie RMN du proton \( 1 \)
Il existe un autre atome que nous pouvons utiliser en RMN et qui est encore plus commun que le carbone \( 13 \) . Le proton est le principal isotope de l'hydrogène et son noyau est en fait juste un proton. Ces noyaux donnent des déplacements chimiques beaucoup plus petits que les noyaux du carbone \( 13 \) , allant généralement de \( 0 \) à \( 10 \) . La spectroscopie RMN du proton, également appelée spectroscopie de l'hydrogène \( 1 \) , est beaucoup plus utile que la spectroscopie du carbone \( 13 \) , car les pics produits sont proportionnels au nombre de noyaux dans cet environnement.
Imagine que tu as un groupe méthyle, \( CH_{3} \) . Trois atomes d'hydrogène sont attachés à l'atome de carbone central. Imagine maintenant que tu as un groupe au milieu d'une molécule. Il n'a qu'un seul atome d'hydrogène attaché. Les trois atomes d'hydrogène qui font partie du groupe méthyle sont tous dans le même environnement et produiront un pic trois fois plus élevé que l'unique atome d'hydrogène attaché au groupe.
Figure .1- Un spectre RMN du proton.
Spectroscopie RMN : Appareillage
L'appareillage spectroscopie RMN se compose de neuf parties principales. Elles sont présentées ci-dessous :
- Porte-échantillon - Il s'agit d'un tube en verre de \( 8,5 cm \) de long et de \( 0,3 cm \) de diamètre.
- Bobines magnétiques - La bobine magnétique génère un champ magnétique lorsqu'elle est traversée par un courant.
- Aimant permanent - Il permet de fournir un champ magnétique homogène à \( 60 - 100 \ MHZ \) .
- Générateur de balayage - Il modifie l'intensité du champ magnétique déjà appliqué.
- Émetteur de radiofréquence - Il produit une impulsion puissante, mais courte d'ondes radio.
- Radiofréquence - Il aide à détecter les radiofréquences du récepteur.
- Détecteur de radiofréquences - Il aide à déterminer les radiofréquences non absorbées.
- Enregistreur - Il enregistre les signaux \( RMN \) reçus par le détecteur \( RF \) .
- Système de lecture - Un ordinateur qui enregistre les données.
Spectre RMN
Comme nous l'avons mentionné plus haut, la spectroscopie RMN produit des graphiques appelés spectres RMN, qui représentent l'énergie absorbée par l'échantillon en fonction du déplacement chimique. Les spectres présentent un certain nombre de pics différents. Les noyaux d'atomes identiques produisent des pics à différentes valeurs de déplacement chimique en fonction des autres atomes ou groupes d'atomes qui leur sont liés. Remarque le pic indiqué à \( 0 \ ppm \) . Il est donné par le \( TMS \) , une molécule de référence.
Le tétraméthylsilane, également connu sous le nom de \( TMS \) , est une molécule couramment utilisée comme point de référence en spectroscopie RMN.
Il y a deux choses importantes à savoir :
- Les environnements avec certains groupes fonctionnels produisent des pics de déplacement chimique qui se situent dans une plage particulière.
- Les environnements uniques produisent des pics de déplacement chimique uniques.
En quoi cela peut-il nous aider ? Eh bien, si tu as deux pics clairs sur ton spectre RMN, ton échantillon doit contenir des noyaux dans deux environnements différents. Tu peux alors comparer la valeur du déplacement chimique des pics aux valeurs d'un tableau de données, ce qui te dira dans quel type d'environnement se trouvent les noyaux et les différents groupes fonctionnels qui leur sont attachés. Cela t'aide à déterminer la structure de la molécule de ton échantillon.
En résumé, en comparant les valeurs de déplacement chimique à des plages dans un tableau de données, nous pouvons déduire les différents groupes dans une molécule et déterminer sa structure globale.
Utilisations de la spectroscopie RMN
La spectroscopie RMN a de nombreuses applications dans la science moderne. Comme nous l'avons vu, sa fonction première est d'analyser la structure et la forme des molécules. Cependant, elle est également utilisée aux fins suivantes :
- Détermination du repliement des protéines.
- Criblage et conception de médicaments.
- Déterminer comment les molécules interagissent dans les réactions chimiques.
- Déterminer la proportion de solides et de liquides dans les lipides.
Spectroscopie RMN - Points clés
- La résonance magnétique nucléaire ou spectroscopie RMN est une technique d'analyse utilisée pour déterminer la forme et la structure des molécules.
- Le principe de la spectroscopie RMN est basé sur l'interaction entre un champ magnétique et les moments magnétiques des noyaux.
- L'environnement d'un noyau atomique est constitué de tous les différents atomes et groupes d'atomes qui l'entourent. Les différents noyaux ont des valeurs de déplacement chimique différentes en fonction de leur environnement.
- L'appareillage RMN est constitué de plusieurs différentes parties. Cependant, il est coûteux et lent.
- Tu peux comparer les valeurs de déplacement chimique à des plages dans un tableau de données pour trouver les groupes fonctionnels présents dans une molécule.
- Les deux types de spectroscopie RMN les plus courants sont la RMN du carbone \( 13 \) et la RMN de l'hydrogène \( 1 \) . La spectroscopie RMN de l'hydrogène \( 1 \) fournit davantage d'informations sur les environnements des noyaux qu'elle détecte grâce aux traces d'intégration et au couplage spin-spin.
- Les spectres RMN produits sont uniques et bien résolus. Ils peuvent être utilisés pour distinguer les différents groupes fonctionnels et environnements dans une molécule.
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