Cours sur les spectres RMN du proton – Terminale
Certains noyaux peuvent absorber des radiations électromagnétiques à une fréquence donnée lorsqu’ils sont placés dans un champ magnétique. Cette fréquence est appelée fréquence de résonance et ce phénomène est désigné sous le nom de résonance magnétique nucléaire RMN.
La résonance magnétique nucléaire RMN
Certains noyaux d’atome peuvent posséder un spin nucléaire. De manière imagée, on peut voir le spin comme une rotation d’une particule sur elle-même. Lorsqu’un tel noyau est plongé dans un champ magnétique, son énergie va évoluer selon la valeur du champ appliqué et selon son spin (orienté dans le sens du champ ou opposé au champ).
Il y a alors deux niveaux d’énergie possibles. C’est l’effet Zeeman.
Le proton peut passer de l’état inférieur à l’état supérieur en absorbant une radiation électromagnétique, si celle-ci a une énergie égale à l’écart entre les deux états, où est la constante de Planck, est la fréquence en Hz. C’est la Résonance Magnétique Nucléaire (RMN). Pour un champ magnétique de 1 Tesla, la fréquence de résonance du proton est de 42,5759 MHz. On est ainsi dans le domaine des ondes radios.
Le déplacement chimique : la spectroscopie RMN du proton
Dans la pratique, le proton, en tant que noyau d’un atome d’hydrogène, est affecté par la présence des électrons de son proche environnement : le sien et ceux des atomes voisins.
Cela se manifeste par une légère modification de sa fréquence de résonance. Ce phénomène est le déplacement chimique.
Le déplacement chimique fait que la RMN est exploitable en chimie organique. En effet, un spectre RMN du proton fournit des renseignements sur l’environnement des atomes d’hydrogène d’une molécule, via la mesure des fréquences de résonance des protons correspondants. Il existe d’autres spectres RMN, comme celui du deutérium, du carbone 13, etc. Le carbone 12 n’a pas de spin nucléaire, donc ne peut pas servir en RMN.
Un spectre RMN du proton représente les pics de résonance des protons en fonction du déplacement chimique. Un pic (ou un groupement très rapproché de pics) est désigné sous le terme de signal en RMN.
Dans le spectre suivant, le déplacement chimique des protons est d’autant plus grand qu’ils sont plus proches de l’atome d’oxygène qui est le plus électronégatif.
Exploitation d’un spectre RMN du proton
Comparaison des déplacements chimiques avec ceux des tables:
Au sein d’une molécule, lorsque des protons présentent un environnement proche identique, leur fréquence de résonance est la même. On parle de protons équivalents. Dans l’exemple de l’éthanol les protons de (CH3-) sont équivalents. Il en est de même avec ceux de (-CH2-). Des tables ont été établies afin de donner la correspondance entre le déplacement chimique et l’environnement des atomes d’hydrogène associés.
Exemples :
Intégration du spectre RMN:
L’étape suivante dans l’analyse du spectre RMN du proton est de procéder à son intégration, au sens mathématique du terme. Autrement dit, sur le spectre intégré, l’ordonnée d’un point de la courbe résulte de la sommation des ordonnées de tous les points du spectre dont les abscisses sont situées « à gauche » de celle de notre point. Pour l’éthanol, on trouve numériquement :
Chaque signal donne lieu à une « marche » ou palier. L’intérêt de cette procédure est que la hauteur d’une marche est proportionnelle au nombre de protons équivalents qui composent le signal correspondant.
