Application à la chimie
Introduction
Comme vous l'avez vu dans le paragraphe précédent, les noyaux présentant un spin nucléaire non nul sont à l'origine d'un signal RMN quand les conditions de résonance sont vérifiées \(\omega o= 2\pi.\nu = \gamma.Bo\)
C'est la formule fondamentale de la RMN : \(2\pi.\nu = \gamma.Bo\)
\(\nu\) est la radiofréquence, \(\gamma\) le rapport gyromangétique qui dépend du type de noyau.
Pour présenter les diverses performances de la RMN et le plan de la suite de ce cours, nous avons retenu une "synthèse historique" des évolutions successives de la technique. Nous ne parlerons pas ici de la RMN multidimentionnelle, ni de la RMN 2D ou de l'Imagerie de Résonance Médicale (IRM).
La RMN : une invention des physiciens... Dans les années 40, ils ont émis l'hypothèse de l'existence du spin nucléaire et de la Résonance Magnétique Nucléaire. Bien entendu, la valeur du rapport gyromagnétique \(\gamma\) n'est pas connue et il faut chercher les gammes d'accord entre Bo et \(\nu\) pour que la relation \(2\pi.\nu = \gamma.Bo\) soit satisfaite (c'est la condition de résonance du noyau).
Le premier prototype utilise une fréquence radio RF constante et un balayage de champ rudimentaire. Victoire...
Les premiers signaux sont observés. Il sont larges et insuffisamment précis pour confirmer que est constant... Il faut donc affiner...
On modifie donc le dispositif expérimental en rajoutant un système pour affiner le champ Bo...
C'est ce que les anglophones appellent le "shim" (jeu de bobines complémentaires). En fait, on ajoute des plaques complémentaire pour mieux contrôler et ajuster le champ Bo.
Résultat : les signaux s'affinent mais petit problème...
on observe non pas un signal mais plusieurs signaux pour les noyaux d'un atome donné (ici les protons \(\textrm H\) de l'éthanol \(\textrm{HO-CH}_2\textrm{-CH}_3\)).
Le champ devient plus homogène...
Confirmation, il ya bien trois signaux pour l'éthanol \(\textrm{HO-CH}_2\textrm{-CH}_3\).
La théorie serait-elle fausse ? Le rapport gyromagnétique serait-il variable pour un noyau donné ? Non, bien entendu...
On venait de découvrir le DÉPLACEMENT CHIMIQUE !
c'est-à-dire la propriété de séparer sous des signaux différents des noyaux de même nature, ayant un environnement chimique différent. De plus, on observe que les surfaces des pics sont proportionnelles au nombre de protons concernés, à savoir, 1 2 3 pour \(\textrm{HO-CH}_2\textrm{-CH}_3\).
La RMN devient alors l'outil des chimistes... qui trouvent cet outil extraordinaire !
Dans le but d'affiner les pics et de différencier au mieux les espèces chimiques, on rend plus homogène encore le champ et on fait tourner le tube (pour corriger les inhomogénéités locales). On observe alors une structure fine dans le signal du \(\textrm{CH}_2\) et du \(\textrm{CH}_3\).
C'est ce que l'on appelle le couplage SPIN-SPIN, moyen efficace permettant d'évaluer la proximité dans la molécule de groupes de protons ayant des déplacements chimiques différents.