La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire est l'une des méthodes les plus courantes et les plus sensibles pour déterminer la structure des composés organiques, permettant d'obtenir des informations non seulement sur la composition qualitative et quantitative, mais également sur l'emplacement des atomes les uns par rapport aux autres. Diverses techniques de RMN offrent de nombreuses possibilités pour déterminer la structure chimique des substances, les états de confirmation des molécules, les effets d'influence mutuelle et les transformations intramoléculaires.
La méthode de résonance magnétique nucléaire présente un certain nombre de caractéristiques distinctives: contrairement aux spectres d'absorption moléculaire optique un rayonnement électromagnétique la matière se produit dans un champ magnétique externe uniforme et puissant. De plus, pour mener une étude RMN, l’expérience doit répondre à un certain nombre de conditions reflétant principes généraux Spectroscopie RMN :
1) l'enregistrement des spectres RMN n'est possible que pour noyaux atomiques avec son propre moment magnétique ou noyaux dits magnétiques, dans lesquels le nombre de protons et de neutrons est tel que le nombre de masse des noyaux isotopiques est impair. Tous les noyaux de nombre de masse impair ont un spin I dont la valeur est 1/2. Ainsi pour les noyaux 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 R la valeur de spin est égale à 1/2, pour les noyaux 7 Li, 23 Na, 39 K et 4 l R la valeur de spin est égale à 3/2 . Les noyaux avec un nombre de masse pair soit n'ont aucun spin si la charge nucléaire est paire, soit ont des valeurs de spin entières si la charge est impaire. Seuls les noyaux dont le spin est I 0 peuvent produire un spectre RMN.
La présence de spin est associée à la circulation charge atomique autour du noyau apparaît donc moment magnétique μ . Une charge tournante (par exemple, un proton) avec un moment cinétique J crée un moment magnétique μ=γ*J . Le moment nucléaire angulaire J et le moment magnétique μ apparaissant lors de la rotation peuvent être représentés sous forme de vecteurs. Leur rapport constant est appelé rapport gyromagnétique γ. C'est cette constante qui détermine la fréquence de résonance du noyau (Fig. 1.1).
Figure 1.1 - Une charge tournante avec un moment cinétique J crée un moment magnétique μ=γ*J.
2) la méthode RMN examine l'absorption ou l'émission d'énergie dans des conditions inhabituelles de formation du spectre : contrairement aux autres méthodes spectrales. Le spectre RMN est enregistré à partir d'une substance située dans un champ magnétique uniforme et puissant. De tels noyaux dans un champ externe ont différentes significationsénergie potentielle en fonction de plusieurs angles d'orientation possibles (quantifiés) du vecteur μ par rapport au vecteur intensité de l'extérieur champ magnétique H0. En l’absence de champ magnétique externe, les moments magnétiques ou spins des noyaux n’ont pas d’orientation spécifique. Si des noyaux magnétiques de spin 1/2 sont placés dans un champ magnétique, alors certains des spins nucléaires seront situés parallèlement aux lignes du champ magnétique, l'autre partie étant antiparallèle. Ces deux orientations ne sont plus énergétiquement équivalentes et les spins sont dits répartis à deux niveaux d'énergie.
Les spins avec un moment magnétique orienté selon le champ +1/2 sont désignés par le symbole | α >, avec une orientation antiparallèle au champ extérieur -1/2 - symbole | β > (Fig. 1.2) .
Figure 1.2 - Formation des niveaux d'énergie lorsqu'un champ externe H 0 est appliqué.
1.2.1 Spectroscopie RMN sur noyaux 1 H. Paramètres des spectres PMR.
Pour déchiffrer les données des spectres RMN 1H et attribuer des signaux, les principales caractéristiques des spectres sont utilisées : déplacement chimique, constante d'interaction spin-spin, intensité du signal intégré, largeur du signal [57].
A) Déplacement chimique (C.C). Échelle HS Le déplacement chimique est la distance entre ce signal et le signal de la substance de référence, exprimée en parties par million de l'intensité du champ externe.
Le tétraméthylsilane [TMS, Si(CH 3) 4], contenant 12 protons structurellement équivalents et hautement protégés, est le plus souvent utilisé comme étalon pour mesurer les déplacements chimiques des protons.
B) Constante d’interaction spin-spin. Dans les spectres RMN à haute résolution, une division du signal est observée. Cette division ou structure fine dans les spectres à haute résolution résulte d'interactions spin-spin entre noyaux magnétiques. Ce phénomène, avec le déplacement chimique, constitue la source d'informations la plus importante sur la structure des molécules organiques complexes et la répartition du nuage électronique qu'elles contiennent. Cela ne dépend pas de H 0, mais dépend de structure électronique molécules. Le signal d'un noyau magnétique interagissant avec un autre noyau magnétique est divisé en plusieurs lignes en fonction du nombre d'états de spin, c'est-à-dire : dépend des spins des noyaux I.
La distance entre ces lignes caractérise l'énergie de couplage spin-spin entre les noyaux et est appelée constante de couplage spin-spin n J, où n-le nombre de liaisons qui séparent les noyaux en interaction.
Il existe des constantes directes J HH, des constantes géminales 2 J HH , constantes vicinales 3 J HH et certaines constantes à longue portée 4 J HH , 5 J HH .
- les constantes géminales 2 J HH peuvent être à la fois positives et négatives et occuper la plage de -30 Hz à +40 Hz.
Les constantes vicinales 3 J HH occupent la plage 0 à 20 Hz ; ils sont presque toujours positifs. Il a été établi que l'interaction vicinale dans les systèmes saturés dépend très fortement de l'angle entre les liaisons carbone-hydrogène, c'est-à-dire de l'angle dièdre - (Fig. 1.3).
Figure 1.3 - Angle dièdre φ entre les liaisons carbone-hydrogène.
Interaction spin-spin à longue portée (4 J HH , 5 J HH ) - interaction de deux noyaux séparés par quatre liaisons ou plus ; les constantes d'une telle interaction sont généralement comprises entre 0 et +3 Hz.
Tableau 1.1 – Constantes d’interaction spin-spin
B) Intensité du signal intégré. L'aire des signaux est proportionnelle au nombre de noyaux magnétiques résonnant à une intensité de champ donnée, de sorte que le rapport des aires des signaux donne le nombre relatif de protons de chaque variété structurelle et est appelé intensité du signal intégré. Les spectromètres modernes utilisent des intégrateurs spéciaux dont les lectures sont enregistrées sous la forme d'une courbe dont la hauteur des marches est proportionnelle à l'aire des signaux correspondants.
D) Largeur des lignes. Pour caractériser la largeur des raies, il est d'usage de mesurer la largeur à une distance de la moitié de la hauteur de la raie zéro du spectre. La largeur de ligne observée expérimentalement comprend la largeur naturelle de ligne, qui dépend de la structure et de la mobilité, et l'élargissement dû à des raisons instrumentales.
La largeur de ligne habituelle dans PMR est de 0,1 à 0,3 Hz, mais elle peut augmenter en raison du chevauchement de transitions adjacentes, qui ne coïncident pas exactement, mais ne sont pas résolues comme des lignes distinctes. L'élargissement est possible en présence de noyaux de spin supérieur à 1/2 et d'échange chimique.
1.2.2 Application des données RMN 1 H pour déterminer la structure des molécules organiques.
Lors de la résolution d'un certain nombre de problèmes d'analyse structurelle, en plus des tableaux de valeurs empiriques, Kh.S. Il peut être utile de quantifier les effets des substituants voisins sur Ch.S. selon la règle d'additivité des contributions de filtrage efficaces. Dans ce cas, les substituants qui ne sont pas distants de plus de 2-3 liaisons d'un proton donné sont généralement pris en compte et le calcul est effectué à l'aide de la formule :
δ=δ 0 +ε je *δ je (3)
où δ 0 est le déplacement chimique des protons du groupe étalon ;
δi est la contribution du filtrage par le substituant.
1.3 Spectroscopie RMN 13 C. Obtention et modes d'enregistrement des spectres.
Les premiers rapports d'observation de la RMN du 13 C sont apparus en 1957, mais la transformation de la spectroscopie RMN du 13 C en une méthode de recherche analytique utilisée dans la pratique a commencé beaucoup plus tard.
La résonance magnétique 13 C et 1 H ont beaucoup en commun, mais il existe également des différences significatives. L'isotope du carbone le plus courant, 12 C, a I = 0. L'isotope 13 C a I = 1/2, mais sa teneur naturelle est de 1,1 %. Cela s’ajoute au fait que le rapport gyromagnétique des noyaux 13 C est 1/4 du rapport gyromagnétique des protons. Ce qui réduit de 6 000 fois la sensibilité de la méthode dans les expériences d'observation de RMN 13 C par rapport aux noyaux 1 H.
a) sans supprimer l'interaction spin-spin avec les protons. Les spectres RMN du 13C obtenus en l'absence de suppression complète de la résonance spin-spin avec les protons étaient appelés spectres à haute résolution. Ces spectres contiennent des informations complètes sur les constantes 13 C - 1 H. Dans des molécules relativement simples, les deux types de constantes - directes et à longue portée - se trouvent assez simplement. Ainsi, 1 J (C-H) est compris entre 125 et 250 Hz. Cependant, une interaction spin-spin peut également se produire avec des protons plus éloignés avec des constantes inférieures à 20 Hz.
b) suppression complète de l'interaction spin-spin avec les protons. Le premier progrès majeur dans le domaine de la spectroscopie RMN du 13 C est associé à l'utilisation de la suppression complète de l'interaction spin-spin avec les protons. L'utilisation de la suppression complète de l'interaction spin-spin avec les protons conduit à la fusion de multiplets avec la formation de lignes singulet s'il n'y a pas d'autres noyaux magnétiques dans la molécule, tels que 19 F et 31 P.
c) suppression incomplète de l'interaction spin-spin avec les protons. Cependant, l’utilisation du mode de découplage complet des protons présente des inconvénients. Puisque tous les signaux du carbone sont désormais sous forme de singulets, toute l'information sur les constantes d'interaction spin-spin 13 C- 1 H est perdue. Une méthode est proposée qui permet de restaurer partiellement l'information sur les constantes d'interaction directe spin-spin 13 C- 1 H tout en conservant une plus grande partie des avantages du découplage du haut débit. Dans ce cas, des divisions apparaîtront dans les spectres en raison des constantes directes de l'interaction spin-spin 13 C - 1 H. Cette procédure permet de détecter les signaux provenant d'atomes de carbone non protonés, puisque ces derniers n'ont pas de protons directement associés à 13 C et apparaissent dans les spectres avec un découplage incomplet des protons sous forme de singulets.
d) modulation constante Interactions CH, spectre JMODCH. Un problème traditionnel en spectroscopie RMN 13C consiste à déterminer le nombre de protons associés à chaque atome de carbone, c'est-à-dire le degré de protonation de l'atome de carbone. La suppression partielle par les protons permet de résoudre le signal carbone à partir de la multiplicité provoquée par les constantes d'interaction spin-spin à longue portée et d'obtenir une division du signal due aux constantes de couplage directes 13 C-1 H. Cependant, dans le cas de systèmes de spin fortement couplés AB et le chevauchement des multiplets dans le mode OFFR rend difficile la résolution sans ambiguïté des signaux.
La spectroscopie RMN est une méthode d'analyse non destructive. Moderne La spectroscopie RMN Fourier pulsée permet une analyse à 80 mag. noyaux. La spectroscopie RMN est l'une des principales. Phys.-Chim. méthodes d'analyse, ses données sont utilisées pour une identification sans ambiguïté en tant qu'intervalles. produits chimiques r-tions, et éléments cibles. En plus des missions structurelles et des quantités. Analyse, la spectroscopie RMN apporte des informations sur les équilibres conformationnels, la diffusion des atomes et des molécules dans les solides, internes. mouvements, liaisons hydrogène et association dans les liquides, tautomérie céto-énol, métallo- et prototropie, ordre et répartition des unités dans les chaînes polymères, adsorption de substances, structure électronique des cristaux ioniques, cristaux liquides etc. La spectroscopie RMN est une source d'informations sur la structure des biopolymères, y compris les molécules de protéines dans les solutions, comparable en fiabilité aux données d'analyse par diffraction des rayons X. Dans les années 80 L'introduction rapide des méthodes de spectroscopie RMN et de tomographie en médecine a commencé pour le diagnostic de maladies complexes et pour l'examen médical de la population.
Le nombre et la position des raies dans les spectres RMN caractérisent sans ambiguïté toutes les fractions du pétrole brut synthétique. caoutchoucs, plastiques, schistes, charbon, médicaments, produits chimiques. et pharmaceutique bal de promo, etc.
L'intensité et la largeur de la ligne RMN de l'eau ou de l'huile permettent de mesurer avec précision la teneur en humidité et en huile des graines ainsi que la sécurité des grains. Lors du désaccord avec les signaux de l'eau, il est possible d'enregistrer la teneur en gluten de chaque grain, ce qui, comme l'analyse de la teneur en huile, permet une sélection agricole accélérée. cultures
L'utilisation d'aimants de plus en plus puissants. les champs (jusqu'à 14 T dans les appareils en série et jusqu'à 19 T dans les installations expérimentales) offrent la possibilité de déterminer complètement la structure des molécules de protéines dans les solutions, d'analyser express du biol. fluides (concentrations de métabolites endogènes dans le sang, l'urine, la lymphe, le liquide céphalo-rachidien), contrôle qualité des nouveaux matériaux polymères. Dans ce cas, de nombreuses variantes de spectroscopie spectroscopique de Fourier multiquantique et multidimensionnelle sont utilisées. techniques.
Le phénomène RMN a été découvert par F. Bloch et E. Purcell (1946), pour lequel ils reçurent le prix Nobel (1952).
Le phénomène de résonance magnétique nucléaire peut être utilisé non seulement en physique et en chimie, mais aussi en médecine : le corps humain est un ensemble des mêmes molécules organiques et inorganiques.
Pour observer ce phénomène, un objet est placé dans un champ magnétique constant et exposé à des champs magnétiques de radiofréquence et de gradient. Dans la bobine d'induction entourant l'objet étudié, une force électromotrice alternative (FEM) apparaît, dont le spectre amplitude-fréquence et les caractéristiques transitoires dans le temps contiennent des informations sur la densité spatiale des noyaux atomiques résonnants, ainsi que d'autres paramètres spécifiques uniquement à résonance magnétique nucléaire. Le traitement informatique de ces informations génère une image tridimensionnelle qui caractérise la densité de noyaux chimiquement équivalents, les temps de relaxation par résonance magnétique nucléaire, la répartition des débits de fluides, la diffusion des molécules et processus biochimiques métabolisme dans les tissus vivants.
L’essence de l’introscopie RMN (ou imagerie par résonance magnétique) réside en fait dans la mise en œuvre d’un type particulier d’analyse quantitative de l’amplitude du signal de résonance magnétique nucléaire. En spectroscopie RMN conventionnelle, on s'efforce d'obtenir la meilleure résolution possible des raies spectrales. Pour y parvenir, les systèmes magnétiques sont ajustés de manière à créer la meilleure uniformité de champ possible au sein de l'échantillon. Dans les méthodes d'introscopie RMN, au contraire, le champ magnétique créé est évidemment non uniforme. Il y a alors des raisons de s'attendre à ce que la fréquence de résonance magnétique nucléaire en chaque point de l'échantillon ait sa propre valeur, différente des valeurs des autres parties. En définissant n'importe quel code pour les gradations de l'amplitude des signaux RMN (luminosité ou couleur sur l'écran du moniteur), vous pouvez obtenir une image conditionnelle (tomogramme) des tranches structure interne objet.
L'introscopie RMN et la tomographie RMN ont été inventées pour la première fois dans le monde en 1960 par V. A. Ivanov. Un expert incompétent a rejeté la demande d'invention (méthode et dispositif) «... en raison de l'inutilité évidente de la solution proposée», de sorte que le certificat de droit d'auteur correspondant n'a été délivré que plus de 10 ans plus tard. Ainsi, il est officiellement reconnu que l'auteur de la tomographie RMN n'est pas l'équipe suivante lauréats du prix Nobel, mais un scientifique russe. Malgré ce fait juridique, prix Nobel n'a pas été décerné à V. A. Ivanov pour la tomographie RMN.
Pour étudier avec précision les spectres, des appareils aussi simples que espace étroit, limitant le faisceau lumineux, et le prisme ne suffisent plus. Il faut des instruments qui fournissent un spectre clair, c'est-à-dire des instruments capables de bien séparer les ondes de différentes longueurs et qui ne permettent pas aux différentes parties du spectre de se chevaucher. De tels dispositifs sont appelés dispositifs spectraux. Le plus souvent, la partie principale de l'appareil spectral est un prisme ou un réseau de diffraction.
RÉSONANCE PARAMAGNETIQUE ÉLECTRONIQUE
L'essence de la méthode
L'essence du phénomène de résonance paramagnétique électronique est l'absorption résonante du rayonnement électromagnétique par des électrons non appariés. Un électron possède un spin et un moment magnétique associé.
Si nous plaçons un radical libre avec un moment cinétique résultant J dans un champ magnétique d'intensité B 0 , alors pour J non nul, la dégénérescence du champ magnétique est supprimée et, du fait de l'interaction avec le champ magnétique, 2J+1 apparaissent des niveaux dont la position est décrite par l'expression : W = gβB 0 M, (où M = +J, +J-1, …-J) et est déterminée par l'interaction Zeeman du champ magnétique avec le moment magnétique J. La division des niveaux d’énergie des électrons est illustrée sur la figure.
Niveaux d'énergie et transitions autorisées pour un atome de spin nucléaire 1 dans un champ constant (A) et alternatif (B).
Si l’on applique maintenant au centre paramagnétique un champ électromagnétique de fréquence ν, polarisé dans un plan perpendiculaire au vecteur champ magnétique B0, alors cela provoquera des transitions dipolaires magnétiques qui obéissent à la règle de sélection ΔM = 1. Lorsque l’énergie de l’électronique la transition coïncide avec l'énergie de l'onde photonaélectromagnétique, absorption résonante Rayonnement micro-ondes. Ainsi, la condition de résonance est déterminée par la relation fondamentale de résonance magnétique
L'absorption de l'énergie du champ micro-onde est observée s'il existe une différence de population entre les niveaux.
À l'équilibre thermique, il existe une petite différence dans les populations des niveaux Zeeman, déterminée par la distribution de Boltzmann = exp(gβB 0 /kT). Dans un tel système, lorsque des transitions sont excitées, l’égalité des populations des sous-niveaux d’énergie devrait très rapidement se produire et l’absorption du champ micro-onde devrait disparaître. Cependant, en réalité, il existe de nombreux mécanismes d'interaction différents, à la suite desquels l'électron passe de manière non radiative dans son état d'origine. L'effet d'une intensité d'absorption constante avec une puissance croissante se produit en raison des électrons qui n'ont pas le temps de se détendre et est appelé saturation. La saturation apparaît à une puissance de rayonnement micro-ondes élevée et peut fausser considérablement les résultats de la mesure de la concentration des centres par la méthode EPR.
Valeur de la méthode
La méthode EPR fournit des informations uniques sur les centres paramagnétiques. Il distingue clairement les ions d'impuretés inclus de manière isomorphe dans le réseau des microinclusions. Dans ce cas, des informations complètes sont obtenues sur un ion donné dans le cristal : valence, coordination, symétrie locale, hybridation des électrons, combien et dans quoi dispositions structurelles les électrons entrent, l'orientation des axes du champ cristallin à l'emplacement de cet ion, une caractéristique complète du champ cristallin et des informations détaillées sur liaison chimique. Et, ce qui est très important, la méthode permet de déterminer la concentration de centres paramagnétiques dans des régions du cristal ayant des structures différentes.
Mais le spectre EPR n'est pas seulement une caractéristique d'un ion dans un cristal, mais aussi du cristal lui-même, des caractéristiques de la distribution de la densité électronique, du champ cristallin, de l'ionicité-covalence dans un cristal et, enfin, simplement une caractéristique diagnostique d'un cristal. minéral, puisque chaque ion dans chaque minéral a ses propres paramètres uniques. Dans ce cas, le centre paramagnétique est une sorte de sonde, fournissant les caractéristiques spectroscopiques et structurelles de son microenvironnement.
Cette propriété est utilisée dans ce qu'on appelle. la méthode des marqueurs de spin et des sondes, basée sur l'introduction d'un centre paramagnétique stable dans le système étudié. En tant que tel centre paramagnétique, on utilise généralement un radical nitroxyle, caractérisé par un caractère anisotrope g Et UN tenseurs.
Spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, spectroscopie RMN- une méthode spectroscopique d'étude d'objets chimiques, utilisant le phénomène de résonance magnétique nucléaire. Le phénomène RMN a été découvert en 1946 par les physiciens américains F. Bloch et E. Purcell. Le plus important pour la chimie et Applications pratiques sont la spectroscopie de résonance magnétique du proton (spectroscopie PMR), ainsi que la spectroscopie RMN sur le carbone 13 (spectroscopie RMN 13 C), le fluor 19 (spectroscopie RMN 19 F), le phosphore 31 (spectroscopie RMN 31 P). un numéro atomique impair ou un isotope de tout élément (même pair) a un nombre de masse impair, le noyau d'un tel élément a un spin différent de zéro. D’un état excité à un état normal, les noyaux peuvent revenir, transférant l’énergie d’excitation au « réseau » environnant, ce qui signifie dans ce cas des électrons ou des atomes d’un type différent de ceux étudiés. Ce mécanisme de transfert d’énergie est appelé relaxation spin-réseau, et son efficacité peut être caractérisée par un T1 constant, appelé temps de relaxation spin-réseau.
Ces caractéristiques font de la spectroscopie RMN un outil pratique à la fois en chimie organique théorique et pour l'analyse d'objets biologiques.
Technique RMN de base
Un échantillon d'une substance pour RMN est placé dans un tube en verre à paroi mince (ampoule). Lorsqu'ils sont placés dans un champ magnétique, les noyaux actifs RMN (tels que 1 H ou 13 C) absorbent l'énergie électromagnétique. La fréquence de résonance, l'énergie d'absorption et l'intensité du signal émis sont proportionnelles à la force du champ magnétique. Ainsi, dans un champ de 21 Tesla, un proton résonne à une fréquence de 900 MHz.
Changement chimique
En fonction de l'environnement électronique local, différents protons d'une molécule résonnent à des fréquences légèrement différentes. Étant donné que ce décalage de fréquence et la fréquence de résonance fondamentale sont directement proportionnels à l’ampleur de l’induction du champ magnétique, ce déplacement est converti en une quantité sans dimension indépendante du champ magnétique, connue sous le nom de déplacement chimique. Le déplacement chimique est défini comme un changement relatif par rapport à certains échantillons de référence. Le décalage de fréquence est extrêmement faible par rapport à la fréquence RMN principale. Le décalage de fréquence typique est de 100 Hz, alors que la fréquence RMN de base est de l'ordre de 100 MHz. Ainsi, le déplacement chimique est souvent exprimé en parties par million (ppm). Afin de détecter une si petite différence de fréquence, le champ magnétique appliqué doit être constant à l’intérieur du volume de l’échantillon.
Puisqu’un déplacement chimique dépend de la structure chimique d’une substance, il est utilisé pour obtenir des informations structurelles sur les molécules d’un échantillon. Par exemple, le spectre de l'éthanol (CH 3 CH 2 OH) donne 3 signaux distinctifs, soit 3 déplacements chimiques : un pour le groupe CH 3, le deuxième pour le groupe CH 2 et le dernier pour OH. Le décalage typique pour un groupe CH 3 est d'environ 1 ppm, pour un groupe CH 2 attaché à OH est de 4 ppm et pour OH est d'environ 2 à 3 ppm.
En raison du mouvement moléculaire à température ambiante, les signaux des 3 protons méthyles sont moyennés au cours du processus RMN, qui ne dure que quelques millisecondes. Ces protons dégénèrent et forment des pics lors du même déplacement chimique. Le logiciel permet d'analyser la taille des pics afin de comprendre combien de protons contribuent à ces pics.
Interaction rotation-rotation
La plupart informations utiles déterminer la structure dans un spectre RMN unidimensionnel donne ce que l'on appelle l'interaction spin-spin entre les noyaux RMN actifs. Cette interaction résulte de transitions entre différents états de spin des noyaux dans des molécules chimiques, entraînant une division des signaux RMN. Cette division peut être simple ou complexe et, par conséquent, peut être soit facile à interpréter, soit déroutante pour l’expérimentateur.
Cette liaison fournit des informations détaillées sur les liaisons des atomes de la molécule.
Interaction de second ordre (forte)
Le couplage spin-spin simple suppose que la constante de couplage est petite par rapport à la différence de déplacements chimiques entre les signaux. Si la différence de décalage diminue (ou si la constante d'interaction augmente), l'intensité des multiplets d'échantillons se déforme et devient plus difficile à analyser (surtout si le système contient plus de 2 spins). Cependant, dans les spectromètres RMN de haute puissance, la distorsion est généralement modérée, ce qui permet d'interpréter facilement les pics associés.
Les effets de second ordre diminuent à mesure que la différence de fréquence entre les multiplets augmente, de sorte qu'un spectre RMN haute fréquence présente moins de distorsion qu'un spectre basse fréquence.
Application de la spectroscopie RMN à l'étude des protéines
La plupart des innovations récentes en spectroscopie RMN concernent ce que l'on appelle la spectroscopie RMN des protéines, qui est en train de devenir une technique très importante dans la biologie et la médecine modernes. L'objectif général est d'obtenir une structure protéique tridimensionnelle dans haute résolution, similaire aux images obtenues en cristallographie aux rayons X. En raison de la présence plus atomes dans une molécule de protéine par rapport à un simple composé organique, le spectre 1H de base est encombré de signaux qui se chevauchent, ce qui rend impossible l'analyse directe du spectre. Des techniques multidimensionnelles ont donc été développées pour résoudre ce problème.
Pour améliorer les résultats de ces expériences, la méthode des atomes marqués est utilisée en utilisant 13 C ou 15 N. De cette manière, il devient possible d'obtenir un spectre 3D d'un échantillon de protéine, ce qui constitue une avancée majeure dans le domaine pharmaceutique moderne. DANS Dernièrement Les techniques (avec à la fois des avantages et des inconvénients) permettant d'obtenir des spectres 4D et des spectres de dimensions supérieures se généralisent, basées sur des méthodes d'échantillonnage non linéaires avec restauration ultérieure du signal de désintégration d'induction libre à l'aide de techniques mathématiques spéciales.
Analyse RMN quantitative
Dans l'analyse quantitative des solutions, l'aire du pic peut être utilisée comme mesure de concentration dans la méthode du tracé d'étalonnage ou la méthode d'addition. Il existe également des méthodes connues dans lesquelles un graphique gradué reflète la dépendance du déplacement chimique en fonction de la concentration. L'utilisation de la méthode RMN en analyse inorganique repose sur le fait qu'en présence de substances paramagnétiques, le temps de relaxation nucléaire s'accélère. La mesure du taux de relaxation peut être réalisée par plusieurs méthodes, une méthode fiable et universelle étant par exemple la version pulsée de la méthode RMN ou, comme on l'appelle habituellement, la méthode de l'écho de spin. Lors de la mesure à l'aide de cette méthode, des impulsions radiofréquence à court terme sont appliquées à l'échantillon étudié dans un champ magnétique à certains intervalles dans la région d'absorption résonante. Un signal d'écho de spin apparaît dans la bobine de réception, dont l'amplitude maximale est liée au temps de détente par une relation simple. Pour effectuer des déterminations analytiques conventionnelles, il n'est pas nécessaire de rechercher les valeurs absolues des taux de relaxation. Dans ces cas, on peut se limiter à mesurer une certaine quantité qui leur est proportionnelle, par exemple l'amplitude du signal d'absorption résonant. Les mesures d'amplitude peuvent être effectuées à l'aide d'un équipement simple et plus accessible. Un avantage important de la méthode RMN est la large plage de valeurs du paramètre mesuré. À l’aide de la configuration d’écho de spin, le temps de relaxation peut être déterminé de 0,00001 à 100 s. avec une erreur de 3...5%. Cela permet de déterminer la concentration d'une solution dans une très large plage allant de 1...2 à 0,000001...0000001 mol/l. La technique analytique la plus couramment utilisée est la méthode du graphique d'étalonnage. Heberlen U., Mehring M. RMN haute résolution dans les solides. - M. : Mir. - 1980.
La spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) est l'outil le plus puissant pour l'élucidation des structures matière organique. Dans ce type de spectroscopie, l’échantillon étudié est placé dans un champ magnétique et irradié avec un rayonnement électromagnétique radiofréquence.
(cliquez pour voir l'analyse)
Riz. 11-13. Protons dans un champ magnétique : a - en l'absence de champ magnétique ; b - dans un champ magnétique externe ; c - dans un champ magnétique externe après absorption d'un rayonnement radiofréquence (les spins occupent un niveau d'énergie plus élevé)
radiation. Atomes d'hydrogène dans Différents composants les molécules absorbent des rayonnements de différentes longueurs d’onde (fréquences). Dans certaines conditions, d'autres atomes peuvent également absorber le rayonnement radiofréquence, mais nous nous limiterons à considérer la spectroscopie sur les atomes d'hydrogène comme le type de spectroscopie RMN le plus important et le plus courant.
Le noyau d'un atome d'hydrogène est constitué d'un proton. Ce proton tourne autour de son axe et, comme tout objet chargé en rotation, est un aimant. En l'absence de champ magnétique externe, les spins des protons sont orientés de manière aléatoire, mais dans un champ magnétique, seules deux orientations de spin sont possibles (Fig. 11-13), appelées états de spin. Les états de spin dans lesquels le moment magnétique (indiqué par la flèche) est orienté le long du champ ont une énergie légèrement inférieure aux états de spin dans lesquels le moment magnétique est orienté contre le champ. La différence d'énergie entre les deux états de spin correspond à l'énergie d'un photon de rayonnement radiofréquence. Lorsque ce rayonnement affecte l’échantillon étudié, les protons passent d’un niveau d’énergie inférieur à un niveau supérieur et l’énergie est absorbée.
Les atomes d'hydrogène dans une molécule se trouvent dans des environnements chimiques différents. Certains font partie de groupes méthyle, d'autres sont reliés à des atomes d'oxygène ou à un cycle benzénique, d'autres encore sont situés à côté de doubles liaisons, etc. Cette petite différence dans l'environnement électronique est suffisante pour modifier la différence d'énergie entre les états de spin et, par conséquent, la fréquence du rayonnement absorbé.
Le spectre RMN résulte de l’absorption d’un rayonnement radiofréquence par une substance située dans un champ magnétique. La spectroscopie RMN permet de distinguer les atomes d'hydrogène d'une molécule qui se trouvent dans des environnements chimiques différents.
Spectres RMN
Lors du balayage de la fréquence de rayonnement à certaines valeurs de fréquence, on observe une absorption du rayonnement par les atomes d'hydrogène dans la molécule ; la valeur spécifique de la fréquence d'absorption dépend de l'environnement des atomes.
Riz. 11-14. Spectre RMN typique : a - spectre ; b - courbe intégrale donnant l'aire du pic
hydrogène. Sachant dans quelle région du spectre se situent les pics d'absorption de certains types d'atomes d'hydrogène, il est possible de tirer certaines conclusions sur la structure de la molécule. En figue. Les figures 11 à 14 montrent un spectre RMN typique d'une substance dans laquelle il existe trois types d'atomes d'hydrogène. La position des signaux sur l'échelle de déplacement chimique 5 est mesurée en parties par million (ppm) de la fréquence radio. Habituellement, tous les signaux sont situés dans la zone de la Fig. 11-14, les déplacements chimiques des signaux sont de 1,0, 3,5 et La partie droite du spectre est appelée région de champ élevé et la partie gauche est appelée région de champ faible. Dans les spectres RMN, les pics sont traditionnellement montrés vers le haut plutôt que vers le bas, comme dans les spectres IR.
Pour interpréter le spectre et en obtenir des informations structurelles, trois types de paramètres spectraux sont importants :
1) position du signal sur l'échelle - (caractérise le type d'atome d'hydrogène) ;
2) zone de signal (caractérise le nombre d'atomes d'hydrogène d'un type donné) ;
3) multiplicité (forme) du signal (caractérise le nombre d'atomes d'hydrogène proches d'autres types).
Regardons de plus près ces paramètres en utilisant l'exemple du spectre du chloroéthane (Fig. 11-15). Tout d'abord, faisons attention à la position des signaux dans le spectre, ou, en d'autres termes, aux valeurs des déplacements chimiques. Le signal a (les protons du groupe est à 1,0 ppm, ce qui
Riz. 11-15. Spectre RMN du chloroéthane
(voir scan)
indique que ces atomes d'hydrogène ne sont pas situés à côté d'un atome électronégatif, alors que le déplacement du signal b (protons du groupe ) est Les valeurs des déplacements chimiques des groupes apparaissant fréquemment doivent être mémorisées de la même manière que les fréquences de bandes d'absorption dans les spectres IR. Les déplacements chimiques les plus importants sont indiqués dans le tableau. 11-2.
Ensuite, nous analysons l'aire des pics, qui est proportionnelle au nombre d'atomes d'hydrogène d'un type donné. En figue. 11 à 15 zones relatives sont indiquées par des chiffres entre parenthèses. Ils sont définis à l'aide de la courbe intégrale située au dessus du spectre. La zone du signal est proportionnelle à la hauteur du « pas » de la courbe intégrale. Dans le spectre en question, le rapport des zones de signal est de 2:3, ce qui correspond au rapport du nombre de protons méthylène au nombre de protons méthyle.
Enfin, considérons la forme ou la structure des signaux, généralement appelée multiplicité. Le signal du groupe méthyle est un triplet (trois pics), tandis que le signal du groupe méthylène est quatre pics (quatuor). La multiplicité fournit des informations sur le nombre d'atomes d'hydrogène liés à un atome de carbone adjacent. Le nombre de pics dans un multiplet est toujours supérieur de un au nombre d'atomes d'hydrogène de l'atome de carbone voisin (tableau 11-3).
Ainsi, s'il y a un signal singulet dans le spectre, cela signifie que la molécule de la substance comprend un groupe d'atomes d'hydrogène, à proximité duquel il n'y a pas d'autres atomes d'hydrogène. Dans le spectre de la Fig. 11-15, le signal du groupe mégyle est un triplet. Cela signifie qu’il y a deux atomes d’hydrogène adjacents à l’atome de carbone.
De même, le signal du groupe méthylène est un quatuor car il y a trois atomes d’hydrogène dans le voisinage.
Il est utile d'apprendre à prédire le spectre RMN attendu en fonction de la formule développée d'une substance. Après avoir maîtrisé cette procédure, il est facile de passer à la résolution du problème inverse : établir la structure d'une substance à partir de son spectre RMN. Ci-dessous, vous verrez des exemples de prédiction de spectres basés sur la structure. Il vous sera ensuite demandé d'interpréter les spectres pour déterminer la structure de la substance inconnue.
Prédiction des spectres RMN basée sur la formule développée
Pour prédire les spectres RMN, suivez ces procédures.
1. Dessinez une image complète formule structurelle substances.
2. Encerclez les atomes d’hydrogène équivalents. Déterminez le nombre d’atomes d’hydrogène de chaque type.
3. Utiliser le tableau. 11-2 (ou votre mémoire), déterminez les valeurs approximatives des déplacements chimiques des signaux de chaque type d'atome d'hydrogène.
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Spectroscopie RMN
Spectroscopie de résonance magnétique nucléaire, spectroscopie RMN- une méthode spectroscopique d'étude d'objets chimiques, utilisant le phénomène de résonance magnétique nucléaire. Les plus importantes pour la chimie et les applications pratiques sont la spectroscopie par résonance magnétique du proton (spectroscopie PMR), ainsi que la spectroscopie RMN sur le carbone 13 (spectroscopie RMN 13 C), le fluor 19 (spectroscopie infrarouge, RMN révèle des informations sur la structure moléculaire substances chimiques. Cependant, il fournit des informations plus complètes qu'un CI, vous permettant d'étudier les processus dynamiques dans un échantillon - déterminer les constantes de vitesse réactions chimiques, l'ampleur des barrières énergétiques à la rotation intramoléculaire. Ces caractéristiques font de la spectroscopie RMN un outil pratique à la fois en chimie organique théorique et pour l'analyse d'objets biologiques.
Technique RMN de base
Un échantillon d'une substance pour RMN est placé dans un tube en verre à paroi mince (ampoule). Lorsqu'ils sont placés dans un champ magnétique, les noyaux actifs RMN (tels que 1 H ou 13 C) absorbent l'énergie électromagnétique. La fréquence de résonance, l'énergie d'absorption et l'intensité du signal émis sont proportionnelles à la force du champ magnétique. Ainsi, dans un champ de 21 Tesla, un proton résonne à une fréquence de 900 MHz.
Changement chimique
En fonction de l'environnement électronique local, différents protons d'une molécule résonnent à des fréquences légèrement différentes. Étant donné que ce décalage de fréquence et la fréquence de résonance fondamentale sont directement proportionnels à la force du champ magnétique, ce déplacement est converti en une quantité sans dimension indépendante du champ magnétique appelée déplacement chimique. Le déplacement chimique est défini comme un changement relatif par rapport à certains échantillons de référence. Le décalage de fréquence est extrêmement faible par rapport à la fréquence RMN principale. Le décalage de fréquence typique est de 100 Hz, alors que la fréquence RMN de base est de l'ordre de 100 MHz. Ainsi, le déplacement chimique est souvent exprimé en parties par million (ppm). Afin de détecter une si petite différence de fréquence, le champ magnétique appliqué doit être constant à l’intérieur du volume de l’échantillon.
Puisqu’un déplacement chimique dépend de la structure chimique d’une substance, il est utilisé pour obtenir des informations structurelles sur les molécules d’un échantillon. Par exemple, le spectre de l'éthanol (CH 3 CH 2 OH) donne 3 signaux distinctifs, soit 3 déplacements chimiques : un pour le groupe CH 3, le deuxième pour le groupe CH 2 et le dernier pour OH. Le décalage typique pour un groupe CH 3 est d'environ 1 ppm, pour un groupe CH 2 attaché à OH-4 ppm et OH est d'environ 2 à 3 ppm.
En raison du mouvement moléculaire à température ambiante, les signaux des 3 protons méthyles sont moyennés au cours du processus RMN, qui ne dure que quelques millisecondes. Ces protons dégénèrent et forment des pics lors du même déplacement chimique. Le logiciel permet d'analyser la taille des pics afin de comprendre combien de protons contribuent à ces pics.
Interaction rotation-rotation
Les informations les plus utiles pour déterminer la structure dans un spectre RMN unidimensionnel sont fournies par ce que l'on appelle l'interaction spin-spin entre les noyaux RMN actifs. Cette interaction résulte de transitions entre différents états de spin des noyaux dans des molécules chimiques, entraînant une division des signaux RMN. Cette division peut être simple ou complexe et, par conséquent, peut être soit facile à interpréter, soit déroutante pour l’expérimentateur.
Cette liaison fournit des informations détaillées sur les liaisons des atomes de la molécule.
Interaction de second ordre (forte)
Le couplage spin-spin simple suppose que la constante de couplage est petite par rapport à la différence de déplacements chimiques entre les signaux. Si la différence de décalage diminue (ou si la constante d'interaction augmente), l'intensité des multiplets d'échantillons se déforme et devient plus difficile à analyser (surtout si le système contient plus de 2 spins). Cependant, dans les spectromètres RMN de haute puissance, la distorsion est généralement modérée, ce qui permet d'interpréter facilement les pics associés.
Les effets de second ordre diminuent à mesure que la différence de fréquence entre les multiplets augmente, de sorte qu'un spectre RMN haute fréquence présente moins de distorsion qu'un spectre basse fréquence.
Application de la spectroscopie RMN à l'étude des protéines
La plupart des innovations récentes en spectroscopie RMN concernent ce que l'on appelle la spectroscopie RMN des protéines, qui est en train de devenir une technique très importante dans la biologie et la médecine modernes. L’objectif global est d’obtenir la structure tridimensionnelle d’une protéine en haute résolution, similaire aux images obtenues en cristallographie aux rayons X. En raison de la présence de plus d’atomes dans une molécule protéique par rapport à un simple composé organique, le spectre 1D de base est encombré de signaux qui se chevauchent, ce qui rend impossible l’analyse directe du spectre. Des techniques multidimensionnelles ont donc été développées pour résoudre ce problème.
Pour améliorer les résultats de ces expériences, la méthode des atomes marqués est utilisée, utilisant 13 C ou 15 N. De cette manière, il devient possible d'obtenir un spectre 3D d'un échantillon de protéine, ce qui constitue une avancée majeure dans le domaine pharmaceutique moderne. Récemment, les techniques (qui présentent à la fois des avantages et des inconvénients) permettant d'obtenir des spectres 4D et des spectres de dimensions supérieures, basées sur des méthodes d'échantillonnage non linéaires avec restauration ultérieure du signal de désintégration d'induction libre à l'aide de techniques mathématiques spéciales, se sont généralisées.
Littérature
- Gunther X. Cours d'introduction à la spectroscopie RMN. - Par. de l'anglais - M., 1984.
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