Spectroscopie à résonance magnétique nucléaire (RMN)

Source : Laboratoire de Dr. Henrik Sundén-Chalmers University of Technology

Spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) est une technique d’analyse essentiel pour les chimistes organiques. Avec l’aide de la RMN, le travail dans le laboratoire biologique a été facilité énormément. Non seulement peut il fournir des informations sur la structure d’une molécule mais également de déterminer la teneur et la pureté d’un échantillon. Par rapport aux autres techniques usuelles pour les chimistes organiques — comme l’analyse thermique et de spectrométrie de masse (MS) — RMN est une méthode non destructive qui est utile lorsque la récupération de l’échantillon est importante.

Une des techniques plus fréquemment utilisées de NMR pour un chimiste organicien est NMR protonique (¹H). Les protons présents dans une molécule seront comporte différemment selon son environnement chimique, ce qui permet d’élucider sa structure. En outre, il est possible de surveiller l’achèvement d’une réaction en comparant les spectres de RMN des matières premières à celle du produit final.

Cette vidéo illustre bien comment la spectroscopie RMN peut être utilisée dans le travail quotidien d’un chimiste organicien. S’affichera alors ce qui suit : J’ai) préparation d’un échantillon de NMR. II) à l’aide d' ¹H RMN pour surveiller une réaction. III) identifiant le produit obtenu par une réaction avec ¹H RMN. La réaction qui sera montrée est la synthèse d’un E- chalcone (3) d’un (1) d’aldéhyde et une cétone (2) (schéma 1). ¹

Schéma 1. Synthèse des (2E)-3-(4-methoxyphenyl)-1-(4-methylphenyl)-2-propen-1-one.

Noyaux avec une masse impair ou numéro atomique aura une propriété appelée spin, ce qui permet d’utiliser NMR pour détecter des éléments tels que l’hydrogène (¹H), carbone (¹³C) et phosphore (³¹P). Les spins sont aléatoires et tourne dans des directions aléatoires ; Toutefois, en appliquant un champ magnétique externe ces noyaux va se rallient avec ou contre le champ magnétique appliqué. Ces deux États ont des niveaux d’énergie différents : un état de faible consommation d’énergie et un état de haute énergie. Irradiation par rayonnement électromagnétique provoque l’état de faible consommation d’énergie à retourner à l’état de haute énergie. Lorsque le rayonnement est cessé, les noyaux subira relaxation et decay induction libre (FID) est obtenue. Le DIF est transformée de Fourier pour donner les pics du spectre RMN du. Différents éléments auront des fréquences différentes, conduisant à des déplacements chimiques différents (tableau 1). Les spectres RMN peuvent fournir différents types d’informations sur un composé ; l’intégrale d’un pic fournit le nombre de protons représenté par elle, le couplage constant (couplage J) donne la corrélation entre les protons et le schéma de fractionnement d’un pic raconte combien d’autres noyaux de NMR-actifs se trouvent à proximité (souvent dénommé « neighbors »).

Depuis des noyaux ¹H RMN mesures ¹H, il est important d’utiliser des solvants deutérés ; dans le cas contraire le signal d’intérêt sera perdu dans le bruit du signal solvant.

Tableau 1. Commune proton et du carbone déplacements chimiques en RMN. ²

1. préparation de la RMN, matière première

1. Ajouter environ 10 mg à partir de matériel dans un tube propre de NMR.
2. Dissoudre le produit de départ dans un solvant deutéré de mL ~0.7 (exemple donné CDCl₃). Une hauteur adéquate du solvant pour un bon spectre est de 4,5 à 5 cm.
3. Boucher le tube NMR soigneusement et écrire le nom de l’échantillon sur la PAC.
4. Agiter l’échantillon doucement pour s’assurer que tout le matériel avait dissous. Prendre soin d’éviter tout contact entre le solvant et la PAC, qui pourrait conduire à une contamination possible de l’échantillon.
5. Insérez le tube de NMR soigneusement dans un cône d’hélice. Le cône d’hélice tournera une fois inséré dans l’aimant pour s’assurer que l’ensemble de l’échantillon subit un champ magnétique homogène. Nettoyez l’extérieur du tube de NMR et spinner avec 2-propanol et laboratoire des tissus afin d’éliminer les traces de doigts et de la saleté.
6. Place la casserole dans une profondeur d’échantillonnage de calibre pour s’assurer que le fond du tube NMR n’est pas inséré trop profondément dans la sonde NMR comme qui peut éventuellement endommager le spectromètre. Différentes sondes ont des profondeurs différentes échantillon et l’utilisateur doit être conscient de la jauge de profondeur spécifique.
7. Placer l’échantillon dans le spectromètre RMN. Ici un spectromètre Varian 400 MHz, équipé d’un échantillonneur automatique, a été utilisé.
8. A l’issue de la mesure de NMR, traiter le spectre et assigner les pics dans le spectre.

2. préparation du NaOH 3M et Chalcone synthèse

1. Ajouter 60 mg NaOH dans une fiole jaugée de 50 mL.
2. Dissoudre le NaOH en ajoutant de l’eau déminéralisée à la moitié de la fiole. Diluer la solution plus loin en ajoutant plus d’eau jusqu'à ce que la marque est atteinte.
3. Ajouter 10 mL d’éthanol à un ballon à fond rond 50 mL équipé d’une barre d’agitation magnétique.
4. Par la suite, ajouter 680,5 mg 4-méthoxybenzaldéhyde et 5 mL de solution de NaOH préparée à l’étape 2.1 dans le même ballon.
5. Ajouter mg 671 4-méthylacétophénone ultérieurement à la solution brassée et boucher la fiole et remuer à la température ambiante.
6. Surveiller l’avancement de la réaction par ¹H RMN à intervalles de 30 min (voir étape 3) jusqu'à consommation complète des matières premières.
7. Ajouter 5 mL d’eau alors que la réaction a atteint fin (environ 3 h). Filtre le précipité qui en résulte et lavez-le avec 20 mL d’éthanol/eau de 1:2. Sécher à l’air précipitée.
8. Calculer le rendement du produit obtenu. Préparer un échantillon de NMR selon étape 1.2.2.7. Vérifier la pureté avec ¹H RMN. Si pas pur, purifier le produit par l’intermédiaire de recristallisation à l’éthanol.
9. Ajouter environ 3 gouttes du mélange réactionnel dans un tube de NMR à l’aide d’une pipette Pasteur et rincer la pipette avec solvant deutéré.
10. Répétez les étapes 1,2 – 1,8.

3. brève interprétation d’un spectre RMN

1. Processus le spectre avec un logiciel adapté (exemple MestReNova).
2. Corrélation entre les différents sommets pour les déplacements de la RMN dans le tableau 1. Les déplacements chimiques donne un soupçon de quel type d’environnement, les protons existe dans.
3. Intégrer les sommets pour obtenir le nombre d’hydrogènes correspondant à chaque pic. L’intégration de tous les pics donne un nombre relatif de protons totales.
4. Évaluer la séparation des pics-proton, qui indiquent le nombre de voisins.
5. Mesurer le raccord en J pour voir comment les protons sont reliés les uns aux autres.

En comparant les spectres des produits de départ (Figures 1 et 2) à celle du produit final (Figure 5), une nette différence entre les spectres peut être observée, indiquant la formation de la chalcone. Le point de terminaison de la réaction peut être détermine en prélevant des échantillons de NMR à différents intervalles de temps ; par exemple, le pic de proton aldéhyde (C(=O)H) (1) peut être vu à la Figure 3 , mais pas dans la Figure 4, signifiant la fin de la réaction après 3 h. En regardant les intégrales, fendage schémas et J-accouplements des sommets, il est possible de valider la structure de la chalcone. Les intégrales des pics (numéros sous le pic, Figure 5) montrent la quantité relative d’hydrogènes présents qui devraient correspondre à la quantité d’atomes d’hydrogène contenus dans le produit. En outre, le modèle de fendage donne une indication sur le nombre de voisins ; par exemple, le pic (5) et (1) — les deux maillots — n’indiquer aucun voisin à proximité avec intégrales de 3 est en corrélation avec le MeO - et le groupe Me respectivement. En comparant le produit chimique se déplace dans les spectres avec tableau 1 , il est possible d’expliquer que le MeO-groupe correspond à l’état singulet 3,80 ppm et le Me-groupe à 2,45 ppm. En outre, la formation de la double liaison peut être considérée comme deux doublets (Figure 5), 7,80 et 7,44 ppm. En regardant le couplage J de 16 Hz indique la formation d’un E-alcène ; le Z-alcène a généralement une plus petite valeur de 10 à 12 Hz.³ assignant les pics aromatiques vérifie la structure (Figure 5). ⁴

Figure 1. Assignés ¹H RMN de 4-méthylacétophénone s’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 2. Assignés ¹H RMN de 4-méthoxybenzaldéhyde. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 3. Brut ¹H RMN après 30 min, montrant la crête résiduelle aldéhyde. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 4. Brut ¹H RMN après 3 h ne montrant aucun Pic résiduel de l’aldéhyde. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

Figure 5. ¹ H RMN spectres du produit obtenu après la marche à suivre. Le montre l’image insérée la J -couplages de l’alcène. S’il vous plaît cliquez ici pour visionner une version agrandie de cette figure.

NMR, par exemple, permet de détecter des intermédiaires réactionnels, facilitant le travail dans l’élucidation d’un mécanisme de réaction. Avec l’aide de la RMN, il est également possible d’observer les interactions et les mouvements moléculaires importantes pour le développement de médicaments. En outre, NMR peut donner des informations structurelles sur les matériaux solides ; par exemple pour fournir une justification pour les propriétés matérielles observées. Autres applications de la RMN peuvent être trouvées dans le domaine de la médecine, où l’imagerie par résonance magnétique (IRM) est souvent utilisé pour le diagnostic médical. NMR a également servi en métabolomique pour détecter différents métabolites excrétés par l’organisme, permettant ainsi une empreinte métabolique. Les utilisations de la RMN sont larges ; de la détermination de la structure d’une molécule unique d’imagerie du cerveau humain.