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TS : INTERPRETER UN SPECTRE RMN

samedi 14 mars 2020, par

INTERPRÉTER UN SPECTRE RMN

INTERPRÉTER UN SPECTRE RMN

1 Principe de la spectroscopie RMN

Certains noyaux, comme le noyau 1H de l’atome d’hydrogène (un proton), sont sensibles à la présence d’un champ magnétique.

Ces noyaux ont un comportement magnétique analogue à celui d’aiguilles aimantées. Nous utiliserons cette analogie pour nous familiariser avec le phénomène de résonance magnétique nucléaire. En l’absence de tout champ magnétique, une aiguille aimantée s’oriente de façon quelconque. En présence d’un champ magnétique, elle s’oriente dans la même direction et le même sens que ce champ magnétique. Pour modifier cette orientation, il faut apporter de l’énergie à l’aiguille aimantée, par exemple sous forme d’énergie mécanique en déplaçant l’aiguille manuellement.

Le phénomène est similaire avec les noyaux 1H d’une molécule : leur propriété magnétique (appelée spin) analogue à celle d’une aiguille aimantée est orientée dans le même sens que le champ magnétique du spectromètre. Pour modifier cette orientation, il faut apporter au noyau 1H un quantum d’énergie (dose d'énergie bien précise) grâce à une onde électromagnétique de fréquence particulière, appelée fréquence de résonance.

Ce phénomène s’appelle résonance magnétique nucléaire (RMN).

La fréquence de résonance d’un proton dépend de son environnement électromagnétique, c’est à dire de la présence de différents autres champs magnétiques dans son entourage, créés par les atomes voisins selon leur électronégativité.

La spectroscopie RMN utilise ce phénomène de résonance. Dans un spectromètre RMN, l’échantillon contenant l’espèce étudiée est soumis à un champ magnétique intense et est traversé par des ondes électromagnétiques. L’appareil mesure les fréquences de résonance des différents noyaux contenus dans l’espèce étudiée. Il les convertit en une grandeur \(\delta\) appelée déplacement chimique, qui ne dépend pas du champ magnétique de l’appareil de mesure, contrairement à la fréquence de résonance.

Les protons qui ont le même environnement ont le même déplacement chimique \(\delta\), on dit qu'ils sont équivalents.

2 Les protons équivalents

Dans l'exemple de l'éthanol

. ethanolCouleursRMN.png

Le spectre RMN n'aura pas 6 signaux différents sous prétexte qu'il y a 6 H dans la molécule car :

  • les 3 H de gauche (en bleu) sont équivalents : même environnement
  • les 2 H du carbone 2 (en vert) sont équivalents : même environnement
  • l'hydrogène H du groupe hydroxyle -OH (en rouge) est, lui, unique

Ce qui donnera seulement 3 signaux (ou massifs de signaux comme on le verra) pour l'ensemble des H de la molécule d'éthanol.

3 Allure d’un spectre RMN

Exemple du spectre RMN de l'éthanol :

SpectreEthanolRMN.png

On constate qu'il y a effectivement 3 signaux ou plutôt 3 groupes (ou massifs) de signaux.

Par ordre croissant de valeurs de déplacement chimique \(\delta\) :

  • un triplet (groupe de 3) à \(\delta\) \(\simeq\) 1,2 ppm.
  • un singulet à \(\delta\) \(\simeq\) 2,6 ppm.
  • un quadruplet (groupe de 4) à \(\delta\) \(\simeq\) 3,7 ppm.

4 Règle des (n+1) uplets

Un proton ou un groupe de protons équivalents ayant n protons voisins (situés à 3 liaisons) donnera un signal constitué de (n+1) pics, appelé multiplet (singulet : 1 pic ; doublet : 2 pics ; triplet : 3 pics ; quadruplet : 4 pics ; quintuplet : 5 pics …).

multiplicite.png

Dans le cas du spectre de l'éthanol

SpectreEthanolRMNuplet.png

5 Valeurs de quelques déplacements chimiques \(\delta\)

Le tableau ci-dessous regroupe les déplacements chimiques des protons de quelques groupes chimiques :

RMNTableauValeursDelta.png

6 Courbe d'intégration :

  • Parfois, dans le spectre, on lit simplement, au dessus de chaque massif, le nombre d'H du groupe d'H équivalents du massif.
  • Sinon, une courbe dite d'intégration est tracée en forme de marches d'escaliers plus ou moins hautes, La hauteur de chacune des "marches" de la courbe d'intégration est proportionnelle au nombre de H du massif concerné.

SpectreRMNEthanolVierge.png

Ici, pour le spectre de l'éthanol \(CH_{3}CH_{2}OH\)

Ayant 6H dans la molécule, on a : \(h_{1}\) + \(h_{2}\) + \(h_{3}\) = \(6 \times h_{H}\) avec \(h_{H}\) hauteur correspondant à 1H

ici : 2,1 cm + 0,7 cm + 1,4 cm = 4,2 cm = \(6\times h_{H}\)

  • d'où \(h_{H}\) = \(\frac{4,2}{6}\) = 0,7 cm
  • \(h_{1}\) représente donc \(\frac{2,1}{0,7}\) = 3 : les 3H de \(-CH_{3}\)
  • \(h_{2}\) représente donc \(\frac{1,4}{0,7}\) = 2 : les 2H de \(-CH_{2}-\)
  • \(h_{2}\) représente donc \(\frac{0,7}{0,7}\) = 1 : le H de OH

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Created: 2020-03-16 lun. 18:51

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