Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 1
P P P e e e t t t i i i t t t G G G u u u i i i d d d e e e p p p r r r a a a t t t i i i q q q u u u e e e p p p o o o u u u r r r l l l ’ ’ ’ i i i n n n t t t e e e r r r p p p r r r é é é t t t a a a t t t i i i o o o n n n d d d e es e s s d d d o on o n n n n n é ée é e es s s d d d e e e s s sp p p e ec e c c t tr t r ro o os s sc c co o op p p i ie i e e R R R M M M N N N
S S S e e e r r r v v v i i i c c c e e e R R R M M M N N N d d d u u u L L L a a a b b b o o o r r r a a a t t t o o o i i i r r r e e e d d d e e e C C C h h h i i i m m m i i i e e e d d d e e e C C C o oo o o or r rd d d i in i n n a a a t ti t i io o on n n
I. Aimantation nucléaire A. Spin nucléaire
1. Propriétés des noyaux atomiques Un noyau atomique possède quatre propriétés physiques importantes :
Masse, Charge électrique, Magnétisme, Spin.
2. Spin
Electron, neutron, et proton : spin égal à ½.
3. Noyau atomique
Chaque noyau atomique possède un spin nucléaire noté I.
1H I=1/2
2H 2 possibilités I=0 (spins antiparallèles) ou I=1 (spins parallèles), I=1 est l’état le plus stable
6Li 7 possibilités
Pour un noyauZA
X
, si :- A et Z sont pairs I est nul - A impair I est un demi-entier - A pair et Z impair I est un entier
On observe un signal de RMN que pour les noyaux qui ont un spin non nul.
I=0
I=1 E
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 2
B. Magnétisme
1. Moment magnétique
2. Effet Zeeman – Phénomène de résonance Moment magnétique intrinsèque :
est la constante de Planck divisé par 2. ( = 1,054 x 10-34J.s) La constante
appelée rapport gyromagnétiqueest caractéristique de chaque isotope.
Exemple :
(1H) = 26,752 x 107rad.T-1.s-1
(2H) = 4,107 x 107rad.T-1.s-1
(13C) = 6,728 x 107rad.T-1.s-1Moment magnétique nucléaire
Champ magnétique
+
u
I
u
En l’absence de champ
magnétique, la distribution des moments magnétiques est isotrope
En présence d’un champ magnétique statique B0, les moments
magnétiques des spins se mettent à tourner autour du champ (précession). Fréquence de Larmor : (Hz) B 0
0
0
B
Différence d’énergie magnétique E entre une position parallèle et
antiparallèle au champ : = 3,3 x 10-25J pour un proton dans un champ magnétique de 11,4 T.
L’énergie thermique disponible à la température ambiante :
= 4,1 x 10-21J. constante de Boltzmann (1,3806 x 10-23 J.K-1).
B
0
T
k
k
Différence d’un facteur d’ordre 4 entre l’énergie thermique et magnétique !!
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 3 3. Impulsion radiofréquence
L’Aimantation nucléaire longitudinale (// à B0) est indétectable.
Basculement de l’aimantation M0 parallèle au champ dans le plan perpendiculaire par application d’une impulsion radiofréquence (appelée « pulse »). Impulsion radiofréquence (RF) : champ magnétique oscillant B1 qui a une fréquence et un temps d’application donné.
Angle de basculement :
B
1
p. p durée de l’impulsion (de l’ordre de la s), Cas le plus classique : 2
ou
.
Pour p = 10 us, B1 ≈ 0,6 mT
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 4 Dans le plan perpendiculaire :
0 ) (
) sin(
) (
) cos(
) (
0 0
0 0
t M
t M
t M
t M
t M
z x y
4. Détection du signal RMN
Détection d’un courant électrique oscillant appelé signal RMN ou F.I.D.
(free induction decay).
Signal RMN très faible, nécessite de grande quantité de produit (généralement plusieurs mg) comparé à d’autres spectroscopies.
5. Phénomènes de relaxation - Relaxation longitudinale (ou spin-réseau)
) exp(
1 ( )
( t M
0t T
1M
z
.T1 constante de temps de relaxation longitudinale
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 5 - Relaxation transversale (ou spin-spin)
) exp(
) sin(
) (
) exp(
) cos(
) (
2 0
0
2 0
0
T t t
M t M
T t t
M t
M
x y
T2 temps de relaxation transversale.
T2 est toujours inférieur ou égal à T1.
6. Evolution de l’aimantation après l’impulsion
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 6 7. La transformation de Fourier
En spectroscopie RMN par impulsion, le spectre de fréquence est obtenu par l’application de la transformée de Fourier (TF) sur le signal temporel (FID) :
En combinant les signaux issus des deux voies de détection (signaux en quadrature), le résultat de la TF apparaît sous la forme :
) (
4 1
) (
2 )
( 4
) 1
(
*2 '2 2
'
* 2 '
2
* 2 2
* ' 2
T i T
T F T
) (
)
(
'
'
A iD
Signaux de forme Lorentziènne : A partie réelle en absorption, D partie imaginaire en dispersion. Il est généralement nécessaire de recombiner les parties réelles et imaginaires pour obtenir des spectres d’« absorption pur » (correction de phase).
Largeur à mi-hauteur
* e(-t/T2)
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 7
II. L’expérience RMN
A. Spectromètre RMN
- Polariser les spins en générant un fort champ magnétique statique B0.
- Basculer l’aimantation nucléaire dans le plan perpendiculaire au champ B0 à l’aide d’impulsions RF
- Détecter les faibles courants électriques créés par l’aimantation transversale
1. L‘aimant
Le champ doit être le plus intense possible mais aussi parfaitement homogène sur tout l’échantillon et stable dans le temps. Actuellement on utilise des aimants supraconducteurs (Champ maximum à ce jour 21 T, correspond à une fréquence de résonance de 900 MHz pour
1H).
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 8 2. La partie électronique
3. La tête de mesure
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 9
B. Acquisition et traitement des données
Cf manuel « acquisition des données RMN ».
III. Spectre RMN haute résolution en phase isotrope A. Déplacement chimique
1. Définition
Unité de mesure de l’échelle des : 10-6 ou partie par million (ppm).
2. Référence
Produit de référence pour 1H et 13C : tetraméthylsilane (TMS) Procédures de référençage
• Référence interne
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 10
• Référence externe
• Méthode de substitution
• Référence par mesure directe de la fréquence du signal de lock (2H du solvant)
• Echelle Unifiée : Tabulation des fréquences des différents noyaux par rapport à la fréquence des protons du TMS (rapport ).
3. Electronégativité
4. Présence de charge partielle
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 11 5. Effets mésomères
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 12 6. conjugaison
7. Effet d’anisotropie 5.78 ppm
H O
H
O+
C- H
H
H S
H
6.06 ppm
5.48 ppm
S
H H
5.81 ppm
O
H H
H O
4.82 ppm H
6.22 ppm
blindé
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 13 8. Courants circulaires
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 14 9. Effet de champ électrique et de van der Walls
10. Liaisons hydrogènes
Champ électrique :
Groupes fortement polarisés: les moments diélectriques des dipôles engendrent une modification de la densité de charges de certains atomes et affectent donc le champ local.
Interaction de van der Walls:
Un groupe non chargé mais se trouvant près d’un hydrogène peut modifier la densité électronique de celui-ci par des effets stériques.
Ces deux interactions peuvent être décrites par l’équation de Buckingham:
A et B sont des contantes, EC-Hreprésente le champ électrique suivant la liaison CH et E2le carré du potentiel du champ au site du proton.
BE2
AEC H
N H
H
H H
N
O O
+
-
+
-
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 15 11. Effet du solvant
12. Effet de la température
Biochemistry, Vol. 38, No. 49, 1999
Les déplacements chimiques dépendent de la température
Les changements de température au cours d’une expérience provoquent un élargissement des pics. Les impulsions RF peuvent provoquer un échauffement local de l’échantillon, (particulièrement les impulsions de découplage et de
«spin-lock» ).
–utilisation de «scans» à blanc avant l’enregistrement des données pour permettre à l’échantillon d’atteindre une température d’équilibre.
Changements des déplacements chimiques en fonction de la température pour la transition simple à double brin de l’ADN
Le suivi des déplacements chimiques en fonction de la température est un outil couramment utilisé :
changements de structure,
suivis cinétiques
dynamiques
mesure de vitesse de réaction
etc.
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 16 13. Effet du pH
14. Déplacements chimiques 1H
Les déplacements chimiques peuvent dépendrent du pH Changement de l’état de protonationd‘une molécule
–effets de la distribution électronique –charge locale effet de champ électrique
–peut modifier la géométrie moléculaire ou la structure –peut entraîner la formation de tautomères
–peut changer la stabilité chimique
Le suivi des déplacements chimiques en fonction du pH est un outil couramment utilisé : Détermination de pKa, équilibres, suivis cinétiques, réactivité, etc.
(1) (2)
(3)
Mesure du pKa des azotes du macrocyle Inorg. Chem. 2001, 40, 4310-4318
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 17 15. Composés paramagnétiques
En général, les composés paramagnétiques donnent des raies trop larges pour être observés par RMN RPE.
En RMN, le déplacement paramagnétique est constitué de 2 composantes : -Interaction dipolaireà travers l’espace entre les moments magnétiques de l’électron et du noyau
-Déplacement de contactdû au couplage entre l’électron non apparié et le noyau : J de l’ordre de quelques MHz (Couplage hyperfin). L’intensité des 2 raies de résonance n’est pas égale (à cause de la différence de population des niveaux d’énergie de l’électron). Les électrons possède généralement un temps de relaxation T1très court et le doublet fusionne en un seul pic.
A cause de la différence d’intensité des deux pics, la raie moyenne peut alors se trouver à des milliers Hz de sa position attendue.
Noyau Electron
Couplage hyperfin a
a
Déplacement de contact
Les complexes de métaux de transition paramagnétiques peuvent provoquer des déplacements de plusieurs centaines de ppm des déplacements chimiques et un élargissement important des raies du 1H.
– élargissement ~ 2/r6
– peux nécessiter l’utilisation de noyaux à bas pour l’observation d’un signal RMN
– l’élargissement diminue rapidement avec la distance
Les protons à proximité du Co sont élargis
Noter la large gamme des déplacements chimiques 1H
Utile pour déterminer le site de fixation de métaux les résonances des noyaux qui se lient au métal disparaissent en présence d’un métal de transition
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 18 16. Réactifs de déplacement chimique
17. Noyaux autres que le 1H
Réactif comprenant un centre paramagnétique fortement anisotrope: Interaction dipolaire entre les moments magnétiques à travers l’espace (interaction de pseudocontact proportionnel à l’expression (3cos2-1)/r3)
On peut utiliser des RDC chiraux pour déterminer la pureté optiquede mélange d’énantiomères
Schwenninger R. et al. Chem. Eur. J. 2001, 7, 2676
Handicaps :
- Faible abondance isotopique - Sensibilité
- Effet quadripolaire (I > 1/2)
Isotope Spin
107 rad T-1 s-1 Abondance
Naturelle % Sensibilité relative
1H 1/2 26,7519 99,985 1,0
2H 1 4,1066 0,015 1,5 x 10-6
7Li 3/2 10,3975 92,6 4,0 x 10-2
11B 3/2 8,5843 80,4 4,1 x 10-2
13C 1/2 6,7283 1,11 1,8 x 10-4
15N 1/2 -2,712 0,37 3,9 x 10-6
29Si 1/2 -5,3188 4,7 3,7 x 10-4
31P 1/2 10,841 100,0 6,6 x 10-2
51V 7/2 7,0453 99,8 5,0 x 10-2
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 19 - Noyaux quadripolaires (Spin > ½)
Spins > ½ : environ 70 % de la table périodique
Noyau à spin 1/2 Noyau quadripolaire
Moment
Quadripolaire Electrique (Q)
c
qzz
e I I Q I T
T
2 2 2 42 2
2 1 2 /
1 (2 1)
3 2 10
3 1 1
En milieu isotropique (liquide) : Interaction entre le moment
quadripolaire électrique Q (dû à une distribution non sphérique des charges nucléaires) et des gradients locaux fluctuants de champ électrique (qzz) causés par les électrons
Source supplémentaire de relaxation Largeur à mi-hauteur des noyaux quadripolaires :
e : charge électrique du proton ħ : constante de Planck divisé par 2π
c: temp de corrélation
qzztrès faible pour les molécules à symétrie cubique (tétrahèdre ou octahèdre).
Exemple : Complexe d’un acide borique sous forme trigonale (a) ou tetrahédrale (b)
RMN 11B
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 20 - Sensibilité
Utilisé couramment
Difficile ou application restreinte Très difficile ou très restreinte Sans espoir ou non étudié
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 21 - RMN du 13C
- RMN du 19F
RMN du
13C : Spin ½
= 67,264 106 rad.T
-1.s
-1(~ (
1H)/4)
Abondance naturelle : 1,1 %
Sensibilité relative /
1H : 1/6400
Aldéhydes
Hétérocycles aromatiques Aromatiques
Alcènes
C tertiaires
C secondaires
C primaires
-C≡ Alcynes
Cétones
Esters, Amides -COS-
Nitriles
Hétérocycles aromatiques
C quaternaires
- Large gamme de : 1300 ppm ;
- Gamme habituelle de -200 à 200 ppm (référence CCl3F) - Noyau sensible : ab=100% ; Sensibilité / 1H = 0,83 ; Spin 1/2
difficile à interpréter : -Asymétrie de la distribution de charge (σparaimportant)
- Electronégativité et état d’oxydation des voisins
-CF3 -CF2
-CXF2
=CF2 -CF
=CF-CFX -CFX2
-CO-F O,N-F
Si-F P-F
-300 -200 -100 0
100 200 300 400 500
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 22 - RMN du 15N
- RMN du 31P
-400 -300
-200 -100
0 100
200
- Large gamme de : 1350 ppm ;
- Gamme habituelle de -400 à 200 ppm (référence CH3NO2)
- Noyau peu sensible : ab=0,365% ; Sensibilité / 1H = 3,85x10-6 ; Spin 1/2
Variation de (similarités avec 13C) :
-Asymétrie de la distribution de charge (σparaimportant) - Electronégativité des voisins
NR3 2RN-NR2
-CΞN Pyridines
22RN-CO- RN-P
2RN-N=CR2 -N=CR2 -NO2 2
RCN(2)=N(1)
2RC=N-OH
2RN-N=O
1 | 2
-400 -200
0 200
400 600
P
P P P
P
P P
P
- Gamme habituelle de : ± 250 ppm (référence 85 %H3PO4) - extrêmes : - 488 ppm pour P4 ; + 1,362 ppm :tBuP[Cr(CO)5]2 (phosphinidene)
- Noyau sensible : ab=100% ; Sensibilité / 1H = 0,066
Le déplacement chimique dépend principalement des angles des liaisons, de l’électronégativité des
substituants et du caractère ionique des liaisons
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 23
B. Couplage scalaire
1. Définition2. Multiplicité
L’éclatement du signal dépend du nombre d’atomes équivalents liés au noyau
Dépend du nombre de combinaisons de paires de spins possible et de leurs énergies. L’intensité de chaque pic est déterminé par le nombre de paires de spins de même énergie.
La séparation des pics est égale à laconstante de couplage (J)
Couplage négatif inversion des niveaux d’énergies relatifs.
Energie relative
Energie absorbée
Energie absorbée Energie relative
Fréquence croissante Fréquence croissante Plus blindé Moins blindé
Couplé à 3 Hb
Triangle de Pascal Pour un spin 1/2 :
Intensités relatives
La multiplicité d’une raie dépend du nombre n et de la valeur I des spins nucléaires voisins : 2nI+1
doublet triplet quadruplet quintuplet
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 24
Singulet
Doublet
Doublet de doublets Doublet de doublets de doublets
Multiplicité : (2nI+1)a x (2nI+1)b x ….
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 25 3. Effet de second ordre
4. Equivalence chimique et magnétique - Equivalence Magnétique
On parle d’un système AB quand la constante de couplage JAB et du même ordre de grandeur que la différence de déplacements chimiques =A-B (couplage fort)
(Système AX pour effet du premier ordre : couplage faible)
2
) 3 2
)(
4 1
(
Z A
f f
f f
z: fréquence centrale du système AB
AX
AB
Les noyaux doivent avoir le même déplacement chimique et ils doivent coupler de la même façon avec tous les autres noyaux
Règles pour l’équivalence des déplacements chimiques :
Les noyaux sont interchangeables par des opérations de symétrie : i. Rotation autour d’un axe symétrique (Cn)
ii. Inversion par un centre de symétrie (i) iii.Réflexion par un plan de symétrie (s)
iv.Rotation autour d’un axe puis réflexion par un plan normal à cet axe (Sn) Les noyaux sont interchangeables par un processus rapide (de l’ordre de la ms)
Hc
Ha
Hd
Cl Hb
Cl
Hd
Hb
Hc
Cl Ha
Cl
180o
C C C
Ha
Ha Ha
Hb
Hb Ha
Ha Ha
Ha
Ha Ha
Echange rapide Ha
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 26 - Non Equivalence Magnétique
H
1
H
2
F3
F
4
Système AA’XX’
H1& H2=> même déplacement : équivalent chimiquement (homotopique)
3
J
H1-F4=> cis
3
J
H2-F4=> trans
Les deux protons sont couplés au même noyau avec des couplages différents : non équivalent magnétiquement
Système AA’BB’
L’utilisation d’un logiciel de simulation de spectre peut- être nécessaire pour extraire les informations spectrales
Expérimental
Simulé
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 27 - Asymétrie
Les protons A et B ont des déplacements chimiques différents : ils sont diastéréotopiques
C O
O
H C
C H
CH3 OH
H H
* ABX
A B
H H
COOH H
Me OH
H H
COOH H Me
OH H
H
H COOH Me
OH
Pas de symétrie
4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5
4.20
2.70 2.60
1.20
CH
C O
O
H CH2 C H
CH3 OH
Groupes énantiotopiques Protons diastereotopiques
Ha1= Ha2 Hb1= Hb2
HOOC C
C C OH
H
b1 H
a1
COOH
H
b2 H
a2
H
Plan de symétrie
A2B2X
HOOC C
C C OH
H
B1 H
A1
COOH
H
B2 H
A2
HAB X
X
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 28 5. Analyse d’un éclatement
6. Couplage avec un spin > ½
Déconvolution d’un système de spin - détermination des valeurs de J
- détermination des multiplicités présentes 1. L’éclatement est-il symétriquepar rapport au centre ?
2. Attribuer une intensité à chaque raie avec les raies extérieures égales à 1
3. Les intensités sont elles symétriques par rapport au centre ?
4. Additionner les intensités attribuées
La somme doit être égale à 2n, n = nombre de noyaux couplés ; Ex: somme = 16, n = 4
5. La séparation des raies les plus extérieures est une constante de couplage
L’intensité relative permet de déterminer le nombre de noyaux couplés. Ex: rapport d’intensité : 1:2, 2 noyaux couplés. La première figure d’éclatement est un triplet (1:2:1)
6. Dessiner la première figure d’éclatement
7. Tenir compte de tous les raies dans l’éclatement qui reproduisent la première figure d’éclatement
8. Déterminer les autres figures d’éclatements
Nombres de raies : 2nI+1
Triangle de Pascal :
Spin 1/2 1 11 1 2 1 1 3 3 1 - - - - -
Spin 1 1 1 11 1 2 3 2 1 1 3 6 7 6 3 1 - - - -
Spin 3/2 1 1 1 11 1 2 3 4 3 2 1 1 3 6 10 13 10 6 3 1
- - - -
2H ou D : spin 1 RMN du 119Sn
[SnH3] - quadruplet
[SnH2D]- Triplet de triplet
[SnHD2]- Doublet de quintuplet
[SnD3]- Septuplet
1JSnH 1JSnD
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 29 7. Abondance Naturelle
8. Effet de relaxation
9. Effet de l’échange chimique
de NaBF4/ D2O
19F-RMN
11BF4
10BF4
Déplacement Isotopique
JF-10B
JF-11B = 10B
11B JBF=0.5 Hz
JBF=1.4 Hz
10B : Q = 8.5 10-2; ab= 19.6 % ; ν=10.7 MHz (2.35 T) ; I=3 2nI+1 = 7
11B : Q = 4.1 10-2; ab= 80.4 % ; ν=32.1 MHz (2.35 T) ; I=3/2 2nI+1 = 4
13C{1H}
Relaxation lente de 51V (I=7/2)
Relaxation rapide de 51V (I=7/2)
Un couplage est observable si 1 > J-1[s] ; 1temps de vie de l’orientation du spin
Echange lent
Echange rapide
Pur
Ajout d’acide
R-OH* + H-OH R-OH+ *H-OH
CH3CH2OH
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 30 10. J source d’information structurale
- Courbe de Karplus
La constante de couplage J dépend de :
de l’hybridation des atomes impliqués dans la liaison,
des angles de liaisons et de torsions,
des longueurs de liaisons,
de la présence de liaisons voisines,
de la présence de paires d’électrons libres,
de l’effet des substituants.
Quelques exemples (2J, 3J et 4J) :
Courbe de Karplus La valeur de 3J dépend de 4 paramètres :
• de l’angle dièdre f,
• de la longueur de liaison CC
• de l’angle des liaisons H-C-C
• de l’effet des substituants
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 31 11. Couplage longue distance
12. Couplage 1H-13C
Jab Jad
Ha Jac
-
H H
4JH-H= 1-2 Hz H C C C H 4JH-H= 9 Hz
H C C C H 4JH-H= 3 Hz H C C C C H
5JH-H= 3 Hz
H C C C C H
5JH-H= 3 Hz Exemples :
Importance des liaisons Motifs particuliers :
-formes zig zag pour le 4J dans les systèmes saturés -formes W (ou M) pour 5J dans les systèmes insaturés
1JCHest proportionnel au pourcentage du charactère s des orbitales sp3 : ~125 Hz
sp2: ~ 165 Hz sp : ~ 250 Hz
2JCHvaleurs habituelles: -8 to +4 Hz.
Difficile à prédire
3JCHdépend de l’angle dièdre (courbe de Karplus) Angle de 0° : 3JCH~ 3-7 Hz
Angle de 90 ° : 3JCH~ 0 Hz Angle de 180° : 3JCH~ 7-12 Hz
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 32
C. Relaxation
Mesure de T1 Temps de relaxation T1ou T2
Temps de Corrélation c Court
Long
T1 minimum
Petites molécules dans des liquides non visqueux
T1
T2
Mouvement rapide
ccourt Mouvement lent
clong Molécules de taille
moyenne dans des liquides non visqueux
Grosses molécules liquides visqueux
c: temps nécessaire pour une rotation de 1°
Expérience d’inversion-récupération
Retour complet à l’équilibre pour un temps ~ 5 xT1
T1=tzero/ln2
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 33 Filtre T2
D. Effet NOE
1. DéfinitionPolystyrene (50,000) + camphor
90 180
= 1.5 ms
Un filtre de type CPMG peut permettre d’éliminer les raies largesd’un spectre (T2court)
0 00
) 1
(
(%) 100 I S I
I I S I
I I
L’effet NOE: changement d’intensité d’une résonance suite à la perturbation des transitions de spin d’une autre résonance (saturation ou inversion).
NOE positif Augmentation de l’intensité de I
NOE négatif Diminution de l’intensité de I
Son intensité est exprimée en pourcentage (NOE pour le spin I suite à la perturbation de S) :
A l’équilibre, le diagramme des niveaux d’énergie d’un système à deux spins IS est représenté sur la figure a. Si on sature le spin S, les populations de spins résultantes sont indiqués sur la figure b.
Pour revenir aux populations d’équilibre, le système doit faire appel à des processus de relaxation longitudinale qui peuvent se produire à travers six transitions : W1Iet W1S(simple quantum), W2(deux quanta) et W0(quantum nul).
Seul les transition W0et W2 sont responsables du NOE.
W1I
W1I W1S
W1S W2
W0 W1I
W1I W1S
W1S
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 34 2. NOE à l’état stationnaire
IS IS I S I
I S
I
W W W
W S W
2 0 1
0 2
2
IS: Taux de relaxation croisée pour les deux spins IS
IS: Taux de relaxation dipolaire longitudinale
W1I a pour effet de réduire l’intensité du NOE.
W2-W0 impose le signe du NOE :
- Pour les molécules qui se réorientent rapidement en solution, la transition W2 (fréquence élevée) est favorisée : NOE positif
- Pour les molécules qui se réorientent lentement en solution, la transition W0 (fréquence faible) est favorisée : NOE négatif
J() : Densité spectrale (nombre de molécules à une certaine fréquence)
Mouvement lent (grosses molécules, viscosité importante)
Mouvement rapide (petites molécules, viscosité faible) Mouvement intermédiaire
NOE maximum de 50% dans un cas d’un système à deux protons isolés avec un
ccourt. En réalité, nous avons rarement un système isolé et d’autres sources de relaxation vont avoir pour effet de réduire l’intensité du NOE (effet paramagnétique de l’oxygène, effet quadripolaire,…).
Dans un système multi-spins, les spins voisins peuvent également donner des interactions dipolaires avec les spins I ou S et donc modifier l’intensité du NOE entre I et S.
L’effet NOE à l’état stationnaire ne dépend pas de la distance mais de la vitesse à laquelle il est atteint.
I S
I
S
2
NOE obtenu suite à la saturation continued’un spin.
Pour les petites molécules (ccourt) :
A B C D
49,9 % 43,4% -16,2%
NOE indirect Dist. 0.5 1 2
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 35 3. NOE transitoire
Pour les clong, le NOE maximum théorique à l’état stationnaire peut atteindre -100%.
c Le NOE est nulpour c=1.12 ce
qui est peut être problématique pour les molécule de taille moyenne.
A B
C
D
E F
Pour les grosses molécules, la diffusion de spin (NOE indirects) devient importante et on perd l’information structurale.
NOE Homonucléaire
L’évolution de l’intensité du spin I suite à l’inversion du spin S est décrite par l’équation :
6
6
IS AB A
I
r r B
S
NOE obtenu suite à l’inversion initiale d’un spin.
0
2
0)
(
m IS m z zz
S I
I
6 2
2 0
4
1
4 1
6
IS c c
IS
r
Le taux de relaxation croisée ISest directement proportionnel à la distance IS (rIS)pour les temps de mélange court. Pour ces temps de mélange, on peut extraire la distance entre IS en comparant l’intensité du NOE entre I et S avec celui d’un système AB dont on connaît la distance.
Temps de mélange (m) Compétition avec la relaxation T1
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 36
IV. RMN multi-impulsionnelle
Cf manuel « acquisition des données RMN ».
- découplage
- effet NOE hétéronucléaire
) ( 2
2
AXx
B J
Pour qu’il y ait découplage, il est nécessaire que lafréquence de précession autour de B2soit beaucoup plus rapide que la constante de couplage 1H-13C ( ~140 Hz) Objectif du découplage : élimination des éclatements dus aux couplages spin-spin
Spectres simplifiés :
détermination facilitée du nombre total de pics
diminution du recouvrement des signaux
Application classique du découplage hétéronucléaire : spectre 13C découplé du 1H Découplage par champ RF B2, de forte puissance, à la fréquence de 1H (train d’impulsions composites). L’aimantation des protons est moyennée à zéro (précession continue de l’aimantation autour de B2).
D1
13C-{1H}
13C
1H Découplage
FID
Train d’impulsions Ex : WALTZ 16
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 37 - édition spectrale
J-modulation + DEPT : Cf manuel « acquisition des données RMN ».
- INEPT
Les signaux des 13C sont relativement faibles (abondance naturelle de 1,1% ;
(1H)=~ (1H)/4 ; sensibilité relative / 1H = 1/6400). Conséquence il est généralement nécessaire d’accumuler le spectre 13C pendant plusieurs heures.
Rapport signal sur Bruit d’un signal RMN :
On peut augmenter le signal 13C en excitant des noyaux 1H au début de
l’expérience au lieu des noyaux 13C. L’aimantation des 1H est ensuite transmise au 13C par un transfert de polarisation.
L’intensité des raies est augmentée au maximum d’un facteur H/X
X 13C 15N 31P 29Si 19F
H/X 3,98 24,7 2,47 5,03 1,06
Les gains sont plus importants que les gains par effet NOE
S/N dépend de √NS et donc de √temps. Le gain en temps pour le 13C est 42 = 16.
T
T NS B
nA N
S
exc
det32 032( )
12 2*D1
13C
1H
90180 90
INEPT 13C-1H
Δ = 1/4JCH
Au lieu d’inverser sélectivement une raie à la fois, il est possible d’inverser en même temps la moitié de tous les doublets CH séquence INEPT
Expérience INEPT-refocalisée et découplée (INEPTrd) : signaux 13C sous forme de singulet. Possibilité de faire de l’édition spectrale.
Remarque : on ne voit que les carbones couplés aux hydrogènes.
13C-{1H}
INEPT 13C-{1H}
INEPTrd 13C-{1H}
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 38 - suppression du solvant
Presaturation (presat) : Cf manuel « acquisition des données RMN ».
Watergate
V. Expérience à 2 dimensions A. Principe
Autre application des impulsions sélectives : meilleure suppressiondes pics du solvant comparée à l’expérience de Présaturation.
Principe de l’expérience : excitation de l’ensemble du spectre sauf à la fréquence de résonance du solvant : expérience WATERGATE.
Zéro excitation
Spectre normal Avec Présaturation
Avec Watergate
Pour créer une deuxième dimension en RMN
• Il faut enregistrer une série de FIDs incrémentée par un second domaine de temps (t1). Une évolution en fonction des déplacements chimiques ou des constantes de couplage se produit au cours de cette période de temps
• Le temps d’acquisition de la FID est t2.
• La transformation de Fourier pour t1and t2, permet de générer un spectre RMN à deux dimensions (2D)
L’apparence relative de chaque spectre RMN sera modulé par le délai t1
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 39 Préparation Evolution Mélange
t1 t2
F2
Vue en coupe
F1 F2
F1
t1,t2 ----> t1,F2 ---> F1,F2 FT(t2) FT(t1)
Excitation
Résolution des recouvrements des signaux
1D
2D
2 signaux superposés
2 pics croisés résolus
Dimension F2 : entre 512 et 4096 points (en général).
Si on double le nombre d’incréments t2,
on double la durée d’enregistrement de la FID.
Dimension F1:
entre 128 et 1024 points (en général).
Si on double le nombre d’incréments t1, on double la durée de l’expérience.
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 40
B. Expériences Homonucléaires
- COSYCOSY90 et 45 : Cf manuel « acquisition des données RMN ».
- TOCSY (Cf manuel « acquisition des données RMN »).
Spectre de corrélation homonucléaire COSY
t1 t2
Fréquence F2 (après mélange) Fréquence F1 Avant mélange
La diagonale représente le spectre 1D normal
Pic de corrélation HA-HB par couplage scalaire Préparation Evolution Mélange
t1 t2
Excitation
Spectre TOCSY des acides aminés Aspartate et Phenylalanine.
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 41 - J-résolu
- NOESY/ROESY
NOESY : Cf manuel « acquisition des données RMN ».
Spectre1H Spectre 1H totalement découplé
On peut compterprécisément le nombre de 1H
Combien de pics ? L’expérience 2D J-resolved
permet de différencier deux doublets proches d’un doublet de doublets
Corrélation entre les déplacements chimiques 1H et les constantes de couplages JHH
1H
JHH
C HB
HA
C HC
HA HB HC
La mesure de la distance entre deux protons I et S est possible en comparant l’intensité de son pic de corrélation NOE avec l’intensité du pic d’une paire de protons références AB dont la distance est fixe et connue.
Exemple de référence : distance entre deux protons géminaux: 1.78 Å
Pic de corrélation HA-HB par effet NOE (référence)
6 6
IS AB A
I
r r B S
NOE fort ; protons proches NOE faible ; protons éloignés
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 42 Le temps de mélange pour les ROESY est deux fois plus court que celui pour les NOESY.
C. Expériences Hétéronucléaires
- HETCORExpérience de corrélation 1H-13C par les couplages scalaires 1JHC
1H
13C
Avantage : bonne résolution dans la dimension 13C
Inconvénient : faible sensibilité et faible résolution dans la dimension 1H Excitation 1H
Détection 13C
1H
13C (t1)
(t2)
C H
1JHC
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 43 - Détection inverse :
HSQC, HMQC et HMBC : Cf manuel « acquisition des données RMN ».
D. Stratégie d’attribution
Amélioration du rapport signal/bruit si on excite et on observe le noyau le plus sensible du système de spin (habituellement 1H).
Gain en sensibilité pour le 13C de ~ 31,6 comparé à l’observation directe. Gain en temps 31,62= ~1000 (à diviser par le nombre d’incrément t1 nécessaire pour créer la deuxième dimension).
La détection inverse est l’approche à favoriser.
Le retour à l’équilibre (relaxation T1) et donc le temps nécessaire entre deux acquisitions est fixé par le noyau excité.
T
T NS B
nA N
S
exc
det32 032( )
12 2*Observation X
1H
13C 15N 29Si
31P
15N 103Rh
(obs/X)5/2 31,6 306 56,8 31,9 587
Etude approfondie de la molécule avant le début de l’analyse des spectres :
• Compter le nombre d’atomes 1H et 13C attendus
• Repérer les éléments de symétrie, les centres chiraux, les protons échangeables…
• Repérer les groupements fonctionnels caractéristiques par leur
déplacement chimique. Ces groupements serviront de points de départ pour l’attribution des déplacements chimiques.
Analyse des spectres
• Compter le nombre de Cq, CH, CH2 et CH3 avec 13C{1H} et DEPT45,90 et 135
• Compter le nombre de 1H (intégration)
• Relier les 1H aux 13C à l’aide du 1JHC(HSQC/HMQC)
• Relier les 1H entre eux à l’aide des couplages nJHH (COSY, TOCSY)
• Relier les 1H aux 13C à l’aide des 2,3JHC(HMBC)
• Compléter éventuellement l’analyse en reliant les 1H entre eux par effet NOE
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 44
VI. Echange chimique A. Principe
2
) (
) ) (
(
3 3 3H O
moyen
CH
CH CH
Equilibre
conformationnel
Equilibre chimique
k << Δν k >> Δν
K décroit K augmente
ms s
Coalescence Perturbation de la forme des raies
Relaxation spin-spin Echange lent
à intermédiaire Echange intermédiaire à rapide
Service RMN – Laboratoire de Chimie de Coordination - CNRS Page 45
B. Coalescence
Deux groupements cyclopentadienyle différents et pouvant s’échanger dans [Ti(1-C5H5)2(5-C5H5)2]
Les vitesses d’échange changent en fonction de la température.
Mais, le déplacement chimique peut également changer en fonction de la température.
Plusieurs résonances peuvent être affectées par l’échange.
La coalescence des signaux peut se produire à différente température en fonction de la différence de fréquence des signaux en échange (a-b).
Rotation autour de la liaison N-C.
La séparation des signaux entre C3 & C5 est plus faible qu’entre C2 & C6.
Les signaux C3 & C5 coalescent en premier.
