Résonance magnétique nucléaire (RMN)

La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) est une technique analytique utilisée pour déterminer la structure moléculaire et la composition chimique d'un échantillon. Elle consiste à analyser l'interaction de noyaux en rotation dans un fort champ magnétique. En spectroscopie RMN, un champ magnétique externe stationnaire amène certains noyaux d'une molécule à absorber des radiofréquences sélectives. L'énergie absorbée induit une transition dans les spins nucléaires, qui est observée sur le spectre RMN.

Applications de la spectroscopie RMN

La spectroscopie RMN est une technique non destructive et non invasive qui permet de déterminer la structure et la dynamique moléculaires. Les applications de la RMN sont diverses et incluent les domaines de recherche et industriels suivants :

• En biologie, la RMN est appliquée à l'étude des macromolécules, telles que les protéines, les lipides et les acides nucléiques. ¹³C, ¹H, ¹⁵N, ³¹P, ²³Na et ¹⁹F, les noyaux actifs en RMN les plus pertinents du point de vue biologique sont utilisés pour comprendre les voies biochimiques impliquées dans le métabolisme des acides aminés, des lipides et des glucides.
• En chimie, la RMN est largement utilisée aussi bien pour des analyses qualitatives que quantitatives afin de suivre les réactions, d'identifier les structures et d'évaluer la pureté des échantillons.
• En science des polymères, elle permet d'analyser le ratio entre différents monomères, le poids moléculaire, la tacticité, le séquençage, la longueur de chaîne et le degré de ramification, et d'identifier les groupes terminaux.
• Dans l'industrie pharmaceutique, elle sert à déterminer la pureté et la quantité des principes actifs, des excipients et des impuretés dans les produits pharmaceutiques.
• Dans l'industrie pétrolière, elle est employée pour évaluer les hydrocarbures dans le pétrole brut et dans ses produits.
• En médecine, l'imagerie par résonance magnétique (IRM) est une application de la RMN permettant d'analyser les tissus mous afin d'identifier les tissus endommagés ou malades.

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Principes de la spectroscopie RMN

Le spin nucléaire est lié à la composition du noyau d'un élément. Les noyaux contenant un nombre égal de protons et de neutrons ont un spin nucléaire nul et ne peuvent donc pas subir de RMN (par exemple ⁴He, ¹²C, ¹⁶O). Les noyaux avec un nombre impair de protons et/ou de neutrons présentent un spin nucléaire et peuvent ainsi exhiber une RMN (par exemple ¹H, ²H, ¹⁴N, ¹⁷O). Ces noyaux se comportent comme de minuscules aimants en rotation et peuvent interagir avec un champ magnétique externe. Les noyaux en rotation créent également leur propre champ magnétique, qui peut interagir avec d'autres noyaux présentant un spin.

Un instrument de RMN mesure l'interaction entre les états de spin nucléaire sous l'influence d'un puissant champ magnétique. Le champ magnétique amène les noyaux à entrer en précession (tourner) comme une toupie. Un noyau en précession absorbe sélectivement l'énergie d'ondes de radiofréquence lorsque la fréquence des noyaux en précession correspond à la fréquence externe des ondes radio qui interagissent avec lui. Lorsque cette absorption se produit, on dit que le noyau en précession et les ondes de radiofréquence entrent en résonance, d'où le terme de résonance magnétique nucléaire. La résonance peut être obtenue en ajustant la fréquence des noyaux sur la fréquence fixe d'ondes radio, ou en ajustant la fréquence d'ondes radio sur celle des noyaux.

Dans la RMN, l'application d'un champ magnétique excite les noyaux présentant des moments magnétiques différents sur divers niveaux d'énergie. Après avoir absorbé une radiofréquence caractéristique, les noyaux à l'état excité retournent à des niveaux d'énergie inférieurs en transférant cette énergie au milieu environnant. Lorsque l'énergie est transférée à d'autres atomes ou au solvant, le processus de relaxation est appelé "relaxation spin-réseau" ou longitudinale. Si l'énergie est transférée aux noyaux avoisinants de même niveau d'énergie, le processus est nommé "relaxation spin-spin" ou transversale. Ces deux processus de relaxation sont caractérisés par des constantes de temps : le temps de relaxation spin-réseau (T₁) et le temps de relaxation spin-spin (T₂), qui sont responsables du spectre RMN résultant.

Caractéristiques du spectre RMN

Un spectre RMN est un tracé des radiofréquences appliquées en fonction de l'absorption. On appelle déplacement chimique la position sur le tracé à laquelle les noyaux absorbent l'énergie. Le déplacement chimique est affecté par la densité des électrons autour du noyau. Si un noyau est entouré d'une forte densité d'électrons, le noyau est protégé du champ magnétique externe, ce qui déplace les signaux vers le champ élevé sur le spectre RMN (effet de blindage). Si un noyau avoisine un atome électronégatif, ce dernier réduit la densité électronique autour du noyau et provoque un effet de déblindage. Cela déplace le signal vers le champ bas sur le spectre RMN. Le spin des noyaux avoisinants affecte également les signaux observés sur un spectre RMN et peut provoquer une séparation du signal RMN, appelée "couplage spin-spin" ou couplage scalaire.