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La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) est devenue une technique incontournable en chimie organique. Elle permet d’obtenir des certitudes quand au squelette des molécules organiques ainsi qu’aux fonctions présentes. Complétée par une spectrométrie infrarouge, elle permet généralement une identification complète des molécules.

Tout comme les électrons, neutrons et protons possèdent des nombres quantiques dont un nombre de spin. Deux même, ces particules se groupent par deux ayant des spins antiparallèles. Dans ce cas, les spins s’annulent. Hors, c’est le spin total du noyau qui est étudié en RMN. La RMN ne s’intéresse donc qu’aux noyaux possédant un nombre impair de particules.

Utilisation de la RMN

En RMN, la position chaque pic, appelé déplacement chimique, obtenu dépend de l’environnement immédiat et à courte distance du noyau correspondant. La position d’un pic indique donc son environnement immédiat. Il suffit donc d’utiliser des tables de déplacement chimiques pour déterminer l’environnement de chaque atome. De telles tables sont courantes dans la littérature.

De plus, on peut dire, en simplifiant, que les noyaux échangent des informations. Cela se traduit dans le spectre par la séparation des pics obtenus en ensemble de pics dont la somme des aires sous le pic correspond à l’aire qui serait obtenue s’il n’y avait pas eu de séparation. On parle de couplage et de multiplicité des signaux. La distance entre ces pics séparés s’appelle la constante de couplage. La mesure de la distance de couplage est importante car deux atomes liés auront la même constante de couplage. Ainsi, de proche en proche, il devient possible de remonter le squelette de la molécule et d’en déterminer la structure.

Enfin, en fonction de l’analyse effectuée, une troisième information va être accessible. En effet, l’aire sous chaque pic peut correspondre au nombre de noyau du type étudié. Dans ce cas, il devient facile, par exemple, de différencier un CH, d’un CH2 ou d’un CH3.

Application de la RMN

La première application de la RMN est donc la détermination de la structure des molécules. Alors que l’infrarouge ne permettait que de caractériser la présence d’une fonction, la RMN permet, de plus d’en situer la position dans un squelette moléculaire.

La RMN est aussi utilisée en analyse quantitative. On peut, par exemple déterminer le nombre total de proton dans une molécule donnée, puis en le comparant au nombre de proton trouvé dans un pic d’une impureté, on peut en tirer le dosage. C’est méthode est par exemple utilisée pour le dosage de principes actifs.

La RMN permet aussi de déterminer le taux de liaison aux protéines d’un médicament. En effet, cette liaison conduit à l’élargissement des pics.

La RMN est aussi très présente en chimie alimentaire. Par exemple, les qualités gustatives dépendent beaucoup de la quantité de graisses solides présente dans la bouche. Une simple étude à différentes températures permet aisément de déterminer cette quantité.

Le spectre d’une molécule simple, comme l’éthanol CH3CH2OH, est caractéristique de ces enseignements. Le spectre RMN du proton permet de « voir » les hydrogènes alors que celui du carbone, les atomes éponymes.

Ethanol RMN H

RMN du proton de l'éthanol

Dans Le spectre proton, on observe 3 séries de pics.

Les pics aux alentours de 1 ppm sont caractéristiques des alcanes. Il s’agit donc du CH3. Il s’agit d’un triplet ce qui est caractéristique d’hydrogènes portés par un carbone voisin d’un carbone portant 2 hydrogène.

Les pics aux alentours de 4 ppm sont caractéristiques de la présence d’une fonction alcool sur le même carbone que ces hydrogènes. Il s’agit donc du CH2. Il s’agit d’un quadruplet ce qui est caractéristique d’hydrogènes portés par un carbone voisin d’un carbone portant 3 hydrogène.

Le pic à 2,5 ppm est celui du proton de la fonction alcool. Il ne se multiplie pas car les hydrogène ne « communiquent » pas au travers des hétéro-atomes.

Ethanol RMN C

RMN du carbone de l'éthanol

Dans le spectre carbone, on observe que deux pics, un par carbone différent. Au alentour de 20 ppm, nous sommes dans la zone des alcanes, il s’agit donc du CH3. Au alentour de 60 ppm, il s’agit de la zone des carbones portant un oxygène lié par une liaison simple comme celui d’une fonction alcool.

Vanilline RMN H

RMN du proton de la vaniline

Vanilline RMN C

RMN du carbone de la vaniline

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mercredi, août 16, 2017