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Université de Rennes 1 Licence 3 mention Chimie

ABDUL RAHIM Muhammad Najhan

Stage effectué du 4 Mai 2015 au 24 Juin 2015

2014/2015

Chez CRMPO Université de Rennes 1

CS 46510 2 Rue de Thabor 35065 RENNES

France

Initiation à la Spectroscopie de Résonance Magnétique Nucléaire

RMN Liquide

Maître de stage

Clément ORIONE Ingénieur d’études RMN

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REMERCIEMENTS

Ce stage a été réalisé au sein du Centre Régional de Mesures Physique de l’Ouest

(CRMPO) sur le Campus de Beaulieu à Rennes. Je tiens à remercier Clément ORIONE

d’avoir accepté ma candidature au mois d’avril , de m’avoir accueilli dans son équipe au mois

de mai, de m’avoir accordé sa confiance et d’avoir permis la réalisation de ce stage de 8

semaines pour compléter ma formation de Licence 3 mention Chimie.

Je remercie l’équipe de Monsieur Christian BRUNEAU et Madame Sylvie DERIEN

pour m’avoir donné l’autorisation de communiquer les résultats concernant la molécule

étudiée.

Je remercie sincèrement toute l’équipe de CRMPO : Nicolas, Philippe, Fabian,

Véronique et Muriel pour leur accueil et leur sympathie.

Je tiens aussi à remercier Valentin, co-stagiaire d’IUT de Lannion qui m’a beaucoup

aidé sur l’utilisation du logiciel de RMN, la manipulation et pour avoir passé du temps

ensemble pendant le stage.

Merci aussi aux stagiaires d’IUT en spectrométrie de masse : Tiffanie et Pauline pour

leur sympathie et les bons moments que j’ai passé avec elles.

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Table des Matières REMERCIEMENTS .................................................................................................................. 1

PRESENTATION DE L’ENTREPRISE ................................................................................... 3

INTRODUCTION A LA RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE ............................... 4

I. PRINCIPE DE LA SPECTROSCPOPIE DE RMN........................................................... 5

1. Le spin ............................................................................................................................. 5

2. Le phénomène de résonance ............................................................................................ 5

3. Le déplacement chimique ................................................................................................ 6

4. La multiplicité et la constante de couplage ..................................................................... 7

II. ANALYSE STRUCTURALE ............................................................................................ 8

1. But et principe. ................................................................................................................ 8

2. Spectre 1H 1D .................................................................................................................. 9

3. Spectre NOESY 2D ....................................................................................................... 10

CONCLUSION ........................................................................................................................ 12

BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................... 13

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PRESENTATION DE L’ENTREPRISE

Le Centre Régional de Mesures Physiques de l’Ouest (CRMPO) a été créé en décembre

1972 avec 2 objectifs principaux :

Mettre à la disposition de tous les chercheurs publics et privés, un ensemble

d’équipements d’analyse structurale regroupés dans ses locaux en raison des coûts

d’investissement et de maintenance élevés.

Disposer d’un personnel hautement qualifié pour piloter les spectromètres, et

susceptible de dialoguer avec les utilisateurs afin de les former et les informer sur

les possibilités de l’appareillage, de déterminer les structures de composés

inconnus ou de valider les synthèses réalisées.

Les techniques d’analyses structurales ou quantitatives actuellement en place sont :

La spectrométrie de masse haute résolution

La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) liquide

L’analyse élémentaire

Ce laboratoire répond aux besoins en analyse des équipes de recherche de l’université de

Rennes, d’autres universités ainsi qu’à ceux du domaine privé en France et à l’étranger.

Figure 1 - BRUKER AVANCE III 400 MHz

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INTRODUCTION A LA RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE

La RMN est une technique d’analyse très utilisée pour déterminer par exemple la

composition moléculaire ou la pureté d’un échantillon. En effet, les informations obtenues par

l’analyse RMN permettent d’identifier les molécules, de déterminer leurs structures et

d’étudier certaines de leurs propriétés physiques (changement de conformation, de phase,

solubilité, ...). Ils existent aujourd’hui une grande variété d’expériences RMN qui permettent

de déterminer ou de corréler quantité de paramètres structuraux ou dynamiques, aussi bien en

phase liquide qu’en phase solide.

Le spectromètre principalement utilisé au CRMPO est un BRUKER Avance III 400

MHz qui utilise une fréquence de 400 MHz dans le cas du 1H et qui est constitué :

Un aimant de champ magnétique intense, stable et aussi homogène que possible.

Les fils composant la bobine ne sont supraconducteurs qu’à très basse température,

ce qui explique pourquoi ils sont refroidis via de l’hélium et de l’azote liquides.

Une sonde qui est l’intermédiaire entre l’aimant et l’échantillon, et qui permet

notamment de détecter le signal RMN.

Une console qui regroupe l’ensemble des cartes électroniques gérant les impulsions,

les délais ainsi que tous les paramètres nécessaires à l’acquisition. De plus, la

console permet le contrôle et l’optimisation du champ magnétique grâce à la Bruker

Smart Magnet System (BSMS). En effet, cette unité gère le lock deutérium qui

permet d’obtenir une homogénéité temporelle du champ magnétique autour de

l’échantillon et qu’il ne soit pas modulé par des perturbations externes. Cette BSMS

permet également de contrôler les shims permettant d’obtenir une homogénéité

spatiale du champ tout au long de l’échantillon et gère enfin divers paramètres

(ascenseur à air comprimé, rotation de l’échantillon, niveau d’hélium, etc).

Un ordinateur servant d’interface entre l’utilisateur et le spectromètre, afin

notamment de lancer les acquisitions et de retraiter les spectres via le logiciel

TOPSPIN.

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I. PRINCIPE DE LA SPECTROSCPOPIE DE RMN

1. Le spin

Un électron gravitant autour d'un noyau peut-être schématisé, de façon classique,

comme une boucle de courant. En présence d'un champ magnétique statique B0, cette boucle

se trouvera dans un état énergétique différent, selon le sens de déplacement de l'électron, c'est-

à-dire le spin. De la même manière, le noyau est composé de particules élémentaires, protons

et neutrons dont le nombre va déterminer la valeur du spin du noyau considéré.

2. Le phénomène de résonance

Le moment magnétique est une grandeur vectorielle qui permet de mesurer l’intensité

d’une source magnétique. La source peut être une distribution de courant, ou bien un matériau

présentant un moment magnétique spontané. Les moments magnétiques totaux sont définis

comme la somme des moments magnétiques nucléaires, représentée par la magnétisation

macroscopique M. Cette dernière est, dans un champ intense B0, parallèle à ce dernier et est

appelée dans ce cas magnétisation longitudinale (Figure 2A).

L’application d’une radio fréquence dont la composante magnétique B1 est perpendiculaire au

champ B0, provoque le basculement de cette magnétisation sur un plan xoy permettant

d’obtenir une magnétisation transversale : c’est le principe de l’impulsion RMN ou pulse

(Figure 2B).

Les noyaux, dans une position énergétique défavorable, tendent à revenir à leur position

initiale. La magnétisation transversale va alors revenir à l’équilibre en oscillant autour de

l’axe z à la fréquence de précession spécifique de chaque espèce de noyaux et dépend de

l’environnement électronique de ces derniers (Figure 2C).

Figure 2 - Représentation schématique d’une impulsion RMN

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Une fois amplifié, le signal induit capté par la bobine réceptrice est appelé FID (Free

Induction Decay), ou signal de décroissance à induction libre. Le signal FID représente un

ensemble de sinusoïdes amorties en fonction du temps, chacune étant spécifique d’un

ensemble de noyaux équivalents. Il s’agit d’un signal temporel, qui peut être transformé en un

signal fréquentiel grâce à une opération mathématique appelée transformée de Fourier : le

spectre RMN final est alors obtenu.

Figure 3 - Transformée de Fourier

3. Le déplacement chimique

Les électrons proches d’un noyau génèrent un champ magnétique de faible valeur, qui

modifie localement le champ magnétique B0 créé par le spectromètre. Le champ magnétique

subi par le noyau étudié, dépend donc de son environnement chimique influencé par les autres

noyaux de la molécule. Le déplacement chimique, noté δ, correspond à la fréquence de

résonance normalisée d’un spectre RMN. Il est déterminé à l’aide de la relation suivante :

Avec υ la fréquence de résonance du noyau en question et υréf la fréquence de résonance d’une

référence.

Cette formule permet en effet de s’affranchir de la valeur du champ B0 utilisé, et ainsi

uniformiser les échelles de fréquences pour les différents spectromètres exprimées en ppm

(partie par millions).

En RMN liquide, la référence la plus régulièrement utilisée dans les solvants organiques est le

TMS (tétraméthylsilane) de formule Si(CH3)4. Dans le cas où un tube a été préparé sans TMS,

la fréquence du pic résiduel du solvant peut également être utilisée comme référence.

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4. La multiplicité et la constante de couplage

Dans un spectre RMN, un noyau ou un groupe de noyaux ayant n noyaux voisins

équivalents couplent avec ceux-ci et donnent un signal constitué de (2 n I + 1) pics. Il s’agit

de la règle de la multiplicité des signaux, et pour les noyaux dont la valeur de spin est égale à

½, le nombre de pics et leurs intensités relatives suivent la règle du triangle de Pascal (voir

annexe n°2).

On appelle constante de couplage nJA-B, la différence de fréquence entre deux pics d’un

multiplet, résultant du couplage entre deux noyaux A et B séparés l’un de l’autre par n

liaisons. Cette constante est usuellement exprimée en Hz et est réciproque entre A et B : si A

couple avec B avec une certaine valeur, B couple avec A avec cette même valeur.

Dans le cas du 1H, les valeurs de J sont généralement comprises entre 1 et 20 Hz, et sont

visibles pour des noyaux séparés maximum par quatre liaisons.

Figure 4 - Exemples Couplages Multiples

8

II. ANALYSE STRUCTURALE

1. But et principe.

La molécule étudiée a pour référence « SD – 652 ». Elle a été synthétisée dans le laboratoire

ISCR UMR 6226, dans l’équipe de Monsieur Christian BRUNEAU par Madame Sylvie

DERIEN.

Le but initial de cette analyse structurale était de savoir si le groupement méthyle CH310

était

du même côté du cycle que le groupement ester CO2CH312

. Un second objectif était de vérifier

la conformation de l’alcène (cis ou trans).

Figure 5 - Formule développée

Formule semi-développée : C21 H31 N O5 Si S

Masse moléculaire : 437,63 g/mol

Afin de répondre au premier objectif fixé, un spectre Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY

(NOESY) a été réalisé afin de mettre en avant les proximités spatiales des divers noyaux 1H.

Pour répondre au second but de l’analyse, une mesure de constante de couplage a été réalisée.

L’ensemble de ces analyses ont été réalisées dans le chloroforme deutéré de formule CDCl3.

9

2. Spectre 1H 1D

Pour réussir à répondre au problème posé et montrer que le méthyle CH310

est du même côté

du cycle que l’ester CO2CH312

ou non, il est nécessaire de réaliser une interprétation indirecte

via les deux H2 de la molécule. En effet, si le CH3

10 et le CO2CH3

12 sont du même

côté du

cycle, cela signifie que le CH310

et le H1 ne voient pas le même H

2 : H

1 verrait celui au-dessus

du cycle alors que le CH310

verrait celui en-dessous du cycle.

Par contre, dans le cas contraire où le CH310

et le CO2CH312

ne sont pas du même côté du

cycle, le CH310

et le H1 voient le même H

2 se trouvant au dessus du cycle.

Afin d’interpréter correctement cette proximité spatiale, il est avant tout nécessaire de réaliser

une attribution 1H de la molécule d’intérêt via l’acquisition d’un spectre

1H (voir annexe N°5).

Le point d’entrée de l’attribution correspond aux (CH3)39 qui sont les plus blindés car proches

de l’atome de silicium. Leur signal est donc un singulet sortant à 0.08 ppm et intégrant pour

9H.

Ensuite, le groupement CO2CH312

sort sous la forme d’un singulet à 3.70 ppm intégrant pour

3H, son déplacement chimique s’expliquant par la proximité de l’atome d’oxygène, très

électro attracteur. Les méthyles CH317

et CH310

, sortant tous les deux sous la forme de

singulets, intégrant chacun pour 3H, sont quant à eux différenciés par leurs déplacements

chimiques : le méthyle CH317

est plus déblindé de par sa proximité avec le groupement

aromatique et sort à 2.44 ppm alors que le CH310

sort à 0.97 ppm.

Le H1 situé à côté de l’azote et du groupement ester méthylique est fortement déblindé et

couple avec les H2. Il est observable à 4.44 ppm sous forme un triplet (ou doublet de doublet

avec deux J semblables) et intègre pour 1H. Les deux H2 sont d’ailleurs observables sous la

forme de doublets de doublets intégrant chacun pour 1H à 1.86 ppm et 2.19 ppm sans pour

autant qu’il soit possible de les discerner. De même, les deux H6 sont observés sous la forme

de doublets intégrant chacun pour 1H à 0.64 ppm et 0.81 ppm mais ne sont pas actuellement

discernables tout comme les deux H5, présents sous la forme de deux doublets intégrant pour

1H à 5.58 ppm et 6.15 ppm.

De plus, les H14

et H15

ne peuvent pas être différenciés avec le seul spectre 1H, tout comme les

H7 et H

8 pour lesquels il est néanmoins possible de mesurer la constante de couplage égale à

14.4 Hz (voir annexe N°6), signe d’une conformation trans de l’alcène. Il s’agit deux doublet

à 6.15 ppm et 5.58 ppm.

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3. Spectre NOESY 2D

Maintenant que les H1, H

2 et CH3

10 sont attribués, il est possible de répondre au but initial de

cette analyse structurale par l’intermédiaire d’un spectre NOESY (Nuclear Overhauser Effect

SpectroscopY) qui est une analyse bidimensionnelle servant à voir les interactions dipolaires

entre les 1H à travers l’espace, signes d’une proximité spatiale.

Comme il est possible de le voir sur le spectre NOESY réalisé (voir annexes N°7 et N°8), le

H2 au dessus du cycle (celui qui est le plus proche spatialement du H

1) à 2.20 ppm a

également une tache NOESY avec le CH310

, permettant de mettre en évidence le fait que le H1

et le CH310

sont du même côté du cycle, ce qui permet d’affirmer que le CH310

et le CO2CH312

ne sont pas du même côté du cycle.

De plus, le spectre NOESY permet de discriminer les différents pics qui ne pouvaient pas

l’être via le spectre 1H seul. En effet, il est possible de regrouper tous les 1H se trouvant au

dessus du cycle ainsi que ceux se trouvant en dessous du cycle.

Ensuite les deux doublets qui sont dans la zone supérieure à 7 ppm correspondent aux 1H du

cycle aromatique (H14

et H15

) et sont distingués grâce au spectre NOESY qui permet de voir la

proximité spatiale entre les H15

à 7.31 ppm et les CH317

. Les H14

sont quant à eux attribues au

pic à 7.76 ppm.

Les résultats obtenus après attribution complète sont résumés ci-dessous avec le format

déplacement chimique (multiplicité, constante de couplage, intégration, attribution) :

RMN 1

H (400 MHz, CDCl3) δ : 7.76 ppm (d, J = 8.3 Hz, 2H, H14

), 7.31 ppm (d, J = 8.3 Hz

2H, H15

), 6.15 ppm (d, J = 14.4 Hz, 1H, H7 ), 5.58 ppm (d, J = 14.4 Hz, 1H, H

8 ), 4.44 ppm

(t, J = 7.0 Hz, 1H, H1), 3.73 et 3.16 ppm (d, J = 14.0 Hz, 2H, H

5), 3.7 ppm (s, 3H, H

12), 2.44

ppm (s, 3H, H17

), 2.19 et 1.86 ppm (dd, J = 14.5 et 6.5 Hz, 2H, H2), 0.97 ppm (s, 3H, H

10),

0.81 et 0.64 ppm (d, J = 5.3 Hz, 1H, H6), 0.08 ppm (s, 9H, H

9).

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En conclusion, une fois toute l’attribution faite, il est possible d’affirmer que la structure de la

molécule étudiée est la suivante :

En toute fois, le spectre 2D comme la NOESY apporte plus des informations supplémentaires

permettant de faire l’analyse structurale sur la molécule étudiée. La connaissance de RMN 1H

notamment permet de comprendre le spectre NOESY et vice versa. Les deux techniques 1D

et 2D alors sont complémentaires.

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CONCLUSION

Ce stage au Centre Régional de Mesures Physiques de l’Ouest m’a permis de m’initier

à la spectroscopie de Résonance Magnétique Nucléaire. Il s’agit d’une technique d’analyse

structurale puissante qui se révèle être un outil indispensable pour les chimistes organiciens.

Si elle permet la caractérisation complète de certains composés, la RMN liquide

permet également de répondre rapidement à des questions structurales simples et peut même

être utilisée comme méthode de contrôle de synthèse en routine.

Ce stage m’a également permis d’approfondir considérablement mes connaissances,

théoriques et surtout pratiques, en RMN. Ainsi, j’ai réalisé des études sur le 1H, mais

également sur différents noyaux comme le 13

C, 11

B, 19

F, 29

Si, 31

P, 77

Se, 111

Cd ou encore le

207Pb ce qui était tout nouveau pour moi.

Monsieur Clément ORIONE a réussi à me montrer toute la richesse de cette technique

spectroscopique possédant des aspects instrumentaux et méthodologiques très variés.

Pour réaliser l’analyse de la molécule décrite dans ce rapport, nous n’avons utilisé que

des techniques classiques de spectroscopie RMN à une et deux dimensions. Cependant il

existe d’autres techniques plus complexes telles que la RMN-3D, qui permettent de résoudre

des structures de molécules plus complexes comme par exemple les protéines.

Je terminerai ce rapport en disant que la RMN est un vaste domaine, qui nécessite un

investissement important en temps et je voudrais bien continuer que ce soit sur le plan des

études ou via une expérience professionnelle dans ce domaine.

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BIBLIOGRAPHIE

High Resolution NMR Technique in Organic Chemistry, Second Edition,

Timothy.D.W.Claridge, 2009

Avance Bruker Beginners Guide, Version 001, Eamonn Butler, 2002

Manuel de Résonance Magnétique Nucléaire, Martin M.L., Martin G.J., Azoulay,

1971

La spectroscopie de RMN, Gunther.H, Masson 1994

Méthode spectroscopiques pour la chimie organique, Hesse.H, Meier.H, Zeeh.B,

Masson, 1997

Carbon13 N.M.R for organic chemists, Levy.G.C, Nelson.G.L, Wiley Interscience,

1972

La RMN Concepts et méthodes, Canet.D, Masson, 1991

http://www.sciencefrance.com/techniques/RMN/RMN.htm

http://www.lachimie.fr/analytique/rmn/

http://www.lcc-toulouse.fr/lcc/spip.php?article43

http://culturesciences.chimie.ens.fr/content/histoire-de-la-rmn-autour-de-ses-premiers-

acteurs-et-apres-959#e2

Logiciel MestReNova, version 10.0.1

Logiciel TopSpin, version 2.1

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Annexe N° 1

Spins de quelques noyaux

Annexe N° 2

Triangle de Pascal

Nombre de voisin(s) Intensité relative des raies Forme du signal

n=0 1 Singulet

n=1 1 1 Doublet

n=2 1 2 1 Triplet

n=3 1 3 3 1 Quadruplet

n=4 1 4 6 4 1 Quintuplet

n=5 1 5 10 10 5 1 Sextuplet

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Annexe N° 3

Spectromètre BRUKER AVANCE III 400 MHz

Critère de spectromètre

Résolution

La résolution est l’aptitude d’un spectromètre à différencier deux raies d’un écart de fréquence

telle que : R=Δν (en Hz)

Elle est aussi caractérisée par la largeur à mi-hauteur des raies. Plus Δν est faible, meilleure

sera la résolution. Dans le meilleur des cas sur le spectromètre utilisé, la résolution peut être

égale à 0.4 Hz.

Sensibilité

La sensibilité caractérise la quantité minimale de noyaux décelables par l’appareil et est liée

au rapport signal/bruit. Pour améliorer ce rapport, le nombre d’acquisition (aussi appelé

nombre de scans NS) peut être augmenté. Ainsi, en multipliant le nombre de scans par k, le

rapport signal/bruit sera multiplié par 𝑘.

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Annexe N° 4

Choix des solvants

Conditions pour être un bon solvant :

- il doit être chimiquement inerte vis à vis de la molécule ;

- il ne doit pas posséder de protons ;

- il ne doit pas donner de signaux dans la région d’étude de la molécule ;

- le produit étudié doit être soluble dans le solvant ;

Les solvants utilises sont deutérés. Les plus couramment utilisés sont les suivants :

Déplacements chimiques en ppm

Solvant H1 C13

OD2 4.79

3CDCl 7.26 77.23

33COCDCD 2.05 29.9

206.7

6DMSOd 2.50 39.5

66DC 7.16 128.4

22ClCD 5.32 54.0

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Annexe N° 5

Spectre RMN 1H

18

Annexe N° 6

Constante de couplage H7 et H

8

19

Annexe N° 7

Spectre 2D NOESY

20

Annexe N° 8

Spectre 2D NOESY zoomé