Bibliographie & annexes
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RÉSUMÉ
La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) est devenue une méthode incontournable dans les industries chimiques, l’industrie pharmaceutique, la biologie, la médecine. Cette technique, qui permet une étude détaillée et non destructive de la matière, est un moyen d’investigation puissant que ce soit pour l’étude des molécules organiques ou inorganiques, celle des solides ou des êtres vivants. Cet article présente les phénomènes physiques et les paramètres de base de la RMN pour la détermination des structures moléculaires ou des cristaux.
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Lire l’articleAuteur(s)
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Nicole PLATZER : Professeur - Docteur ès Sciences - Ingénieur ENSCP Laboratoire de RMN biologique ICSN-CNRS
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Laurence DALLERY : Docteur de l’Université Pierre et Marie Curie en Chimie - Chaire de génie analytique CNAM
INTRODUCTION
La résonance magnétique nucléaire, RMN, est l’une des méthodes spectroscopiques d’analyse de la matière. Par rapport aux autres méthodes spectroscopiques, la RMN se situe à l’échelon le plus bas de l’échelle des énergies mises en jeu. En conséquence la RMN permet un examen extrêmement détaillé et non destructif de l’échantillon.
Le phénomène physique de base est le magnétisme nucléaire. La très grande majorité des éléments possède cette propriété au moins sous certaines formes isotopiques.
Le champ d’investigation de la RMN est exceptionnellement large. Citons l’étude des molécules organiques, biologiques, inorganiques, l’étude des solides, l’étude des êtres vivants. Il est possible d’examiner quelques milligrammes voire microgrammes d’une molécule en solution ou bien un fragment d’une pierre d’une cathédrale mais aussi un enfant nouveau-né.
Pourquoi la RMN est-elle un moyen d’investigation si puissant ?
Les informations correspondant à des noyaux de types différents, par exemple 1H et 13C ou 1H et 2H sont totalement distinctes. Dans les milieux liquides isotropes (RMN haute résolution), les différents noyaux d’un même type, par exemple 1H ou 13C ou 15N, donnent chacun une réponse individuelle en fonction des caractéristiques de leur environnement. En analyse structurale il est possible de repérer l’enchaînement des atomes, leurs positions relatives dans l’espace. La proximité des noyaux à travers l’espace, soit à l’intérieur d’une molécule soit entre entités distinctes, peut être établie. De nombreux phénomènes d’échange sont détectés et analysés. Les mouvements moléculaires, mouvement global d’une molécule, mouvement interne d’une partie de la molécule ou mouvements relatifs d’entités distinctes (diffusion) peuvent être étudiés.
Dans les milieux anisotropes, liquides orientés et solides, la RMN présente des contraintes supplémentaires liées en particulier à la mobilité réduite des noyaux. Elle a néanmoins de nombreux intérêts : détermination de paramètres non accessibles en milieu isotrope, observation de substances insolubles, de l’intégrité structurale lorsque la dissolution dans un solvant ne permet pas de la conserver. Elle va bien au-delà de l’étude par rayons X puisqu’il n’est pas nécessaire que le solide soit un cristal.
La RMN in vivo permet de distinguer les tissus en fonction de leur teneur en noyaux 1H (H2O et/ou autres molécules), en fonction de paramètres liés à la mobilité de ces molécules, et d’obtenir des images des différents constituants d’une structure telle qu’une articulation ou des vaisseaux sanguins. Outre 1H, d’autres noyaux : 31P, 13C, 23Na... peuvent être exploités. Il est également possible de suivre l’évolution des molécules présentes dans les tissus.
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VERSIONS
- Version archivée 1 de janv. 1984 par Claude CHACHATY
- Version archivée 2 de juil. 1996 par Jean-Claude ROUSSEL
- Version archivée 3 de juin 2002 par
DOI (Digital Object Identifier)
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Modes de détection2. Paramètres de base de la RMN
Les échantillons sur lesquels porte en fait l’expérience RMN sont constitués d’atomes, d’ions ou de molécules, isolés ou assemblés. Les noyaux sont entourés d’un nuage électronique et, dans la majorité des cas, liés à d’autres atomes. Pour tout type de noyau (par ex. 1H) la raie unique du noyau isolé sera remplacée par un spectre de raies simples ou multiples. Les interactions déterminantes sont :
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interaction entre noyau et environnement électronique. Le paramètre associé est la constante d’écran σ (sans dimension) ;
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interaction indirecte, relayée par les électrons de liaison, entre noyaux séparés par un faible nombre de liaisons. Le paramètre associé est la constante de couplage scalaire J (Hz) ;
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interaction directe entre noyaux proches dans l’espace. Le paramètre associé est la constante de couplage dipolaire D (Hz) ;
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interaction entre un noyau et un gradient de champ électrique (uniquement dans le cas des noyaux de spin supérieur à 1/2). Le paramètre associé est la constante de couplage quadripolaire QCC (MHz).
2.1 Constante d’écran σ, déplacement chimique δ
La circulation des électrons sous l’action de B0 modifie la valeur du champ d’induction magnétique au niveau du noyau. L’origine de la dénomination « constante d’écran » pour σ peut être illustrée par l’exemple très simple de l’atome 3He (1s2) de spin 1/2. La précession du nuage électronique de symétrie sphérique autour du noyau crée un champ magnétique local aligné avec B0 mais de sens opposé à B0. Le nuage électronique fait écran à B0. Il en est tenu compte en remplaçant B0 par B = B0(1 − σ). La fréquence de résonance devient :
La valeur de σ est estimée à 59,9 · 10−6 pour 3He.
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Paramètres de base de la RMN
BIBLIOGRAPHIE
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(1) - MARTIN (M.T.) - * - CNRS-ICSN Gif/Yvette, communication personnelle.
-
(2) - SIZUN (C.) - * - CNRS-ICSN Gif/Yvette, communication personnelle.
-
(3) - SIZUN (C.) - * - CNRS-ICSN Gif/Yvette, communication personnelle.
-
(4) - MARTIN (M.T.) - * - CNRS-ICSN Gif/Yvette, communication personnelle.
-
(5) - FRIEBOLIN (H.) - Basic one and two dimensional NMR Spectroscopy - . 2nd ed. VCH (1993).
-
(6) - BREITMAIER (E.) - Structure Elucidation by NMR in Organic Chemistry. A Practical Guide - . John Wiley and sons (1993).
-
(7) - ROBERTS (G.C.) - * - NMR...
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* - Un logiciel très convivial NMRnotebook TM Advanced NMR Data Management Solution qui permet de traiter les données de toutes origines est développé par la société NMRtec http://www.nmrtec.com
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