Chimie 5:
Spéctroscopie
Chimie organique
RMN du proton

Pour comprendre la structure de la molécule, on étudie son spectre d'émission. Pour celà, on utilise, le plus souvent la spectroscopie IR (infra-rouge) ou la spectroscopie NMR, en particulier la NMR du proton.

1. Le proton se comporte comme un aimant

Le proton tourne autour de lui-même comme une toupie. On dit qu'il a un spin. Une sphère chargé (=) en rotation.

Cette rotation de la particule induit un champ magnétique sur le proton comme celui de champ magétique sur la Terre, avec un pole nord et un pole sud. les lignes de champ sont dirigées du pole nord au pole sud.

Ceci réfère au proton un moment magnétique vectoriel dirigé du pole sud au pole nord, comme une barre aimantée ou l'aiguille d'une boussole.

2. Le proton dans un champ magnétique

Si on plonge le proton dans un champ magnétique externe Bo, son momemt magnétique intrinsèque μ va interagir avec ce champ magnétique.

Le champ magnétique offre au proton l'occasion d'être dans deux et seulement deux éats différents: l'état UP et l'état DOWN. Mais les places UP sont plus nombreuses.

Ainsi, le moment magnétique va s'orienter dans la même direction que le champ, autrement dit, il va s'aligner avec le champ. Le proton est dans une état de spin d'énegie la plus basse: Eα (ou Edown).

Maintenant, toujours en présence du champ magnétique; pour amner le moment magnétique du proton dans sa direction opposée, donc inverse à celle du champ externe; il faut lui apporter de l'énergie. Le proton est ici dans un état de spin d'énegie la plus haute: Eβ (ou Eup) .

Il ya donc une différence de niveaux d'énergie, qui est l'energie apporté au système, égale à:

ΔE = E_β - E_α

Evidemment. Si on augmente l'intensité du champ magnétique est plus fort, énergie apporée pour faire passer le proton d'un état de spin le plus basse énegie à l'état de spin de plus haute énergie deviendra plus grande; afin de combattre mieux la force du champ.

Donc si on fait varier l'intensité du chapm magnétique, externe Bo, la différence d'energie entre les deux niveaux varie dans le même sens.

Ainsi un proton peut absorber de l'énergie et passer de l'état de spin α à l'état de spin β.

L'energie que l'on va apporter au proton est sous forme d'onde de courtes pulsations correspondant à des ondes radio du spectre électromagnétique.

Les ondes radio ont des longueures d'ondes λ entre 10 cm et 6 m. Il s’agit d’un domaine de très faible énergie.

L'énegie apportée au proton pour passer de Eβ à Eα, ne doit être ni grande, ni faible. Elle doit être exactemet égale à la bonne ou à la suffisante. Dans ce cas, on dit que le noyau est en la résonnance avec le champ magnéique externe appliqué. D'où la dénomination de Résonnace Magnétique Nucléaire ou RMN.

Le mot nucléaire signifie que cette méthode utilise les propriétés du noyau (de l’atome d’hydrogène constitué d’un proton).

La différence d'énegie apportée au proton ΔE doit correspondre à une certaine fréquence ν selon la formule Planck: E = h ν

On peut donc ecrire:

ΔE = Eβ - Eα = h ν

Lorsqu'on applique un champ magnétique à l'échantillon, les protons sont soit dans l'état de spin α., soit dans l'état de spin β. En fait, on a un leger excès de protons dans l'état de spin α.



En l'abscence de champ, le proton repasse à l'éta α. Par conséquent, l'énergie transmise ou relachée est détectée puis traitée, gnéralement par une transformation de Fourier par la machine RMN. C'est elle qu'on va lire sur un spectre qu'on obtient.

3. Le spectre d'une molécule

En spectroscopie, le spectre qu'on obtient est un ensemble de pics dans un plan représentant l'intensité transmise en fonction de la fréquence.

En fait, un spectre est le graphe où sur un axe, tracé en abscisse, sont portées les longueurs d’onde ou les fréquences des énergies pour lesquelles la molécule a présenté des interactions.

À chacune de ces longueurs d’onde va apparaître un signal nommé pic, raie, bande ou massif, ... selon son aspect. L’ensemble constitue le spectre.

Pour des raisons pratiques, il est parfois choisi de porter en abscisse, une autre grandeur liée à la fréquence.

plusieurs pics correspondent à plusieurs fréquences, donc plusieurs niveaux d'energie.

dfferents frequences , donc differents niveaus d'énergie pour digfferents hydrogène ddans une meme molécule.

4. Principe d'un appareil de RMN

Les appareils de RMN permettent d’imposer un champ magnétique très intense. Les premiers appareils généraient un champ d’environ 1 T (tesla). On peut actuellement atteindre des champs de 23.5 T.

Par comparaison, cela représente 500 000 fois le champ magnétique terrestre qui s’élève à 4.7.10^-5 T.

Pour la RMN du proton, la référence est communément le tétraméthylsilane (TMS).

Voici le shéma de principe d'un appareil RMN: