Complet Rds 20142015

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Complet Rds 20142015

  1. 1. 0 Université de Rennes 1 Licence 3 mention Chimie ABDUL RAHIM Muhammad Najhan Stage effectué du 4 Mai 2015 au 24 Juin 2015 2014/2015 Chez CRMPO Université de Rennes 1 CS 46510 2 Rue de Thabor 35065 RENNES France Initiation à la Spectroscopie de Résonance Magnétique Nucléaire RMN Liquide Maître de stage Clément ORIONE Ingénieur d’études RMN
  2. 2. 1 REMERCIEMENTS Ce stage a été réalisé au sein du Centre Régional de Mesures Physique de l’Ouest (CRMPO) sur le Campus de Beaulieu à Rennes. Je tiens à remercier Clément ORIONE d’avoir accepté ma candidature au mois d’avril , de m’avoir accueilli dans son équipe au mois de mai, de m’avoir accordé sa confiance et d’avoir permis la réalisation de ce stage de 8 semaines pour compléter ma formation de Licence 3 mention Chimie. Je remercie l’équipe de Monsieur Christian BRUNEAU et Madame Sylvie DERIEN pour m’avoir donné l’autorisation de communiquer les résultats concernant la molécule étudiée. Je remercie sincèrement toute l’équipe de CRMPO : Nicolas, Philippe, Fabian, Véronique et Muriel pour leur accueil et leur sympathie. Je tiens aussi à remercier Valentin, co-stagiaire d’IUT de Lannion qui m’a beaucoup aidé sur l’utilisation du logiciel de RMN, la manipulation et pour avoir passé du temps ensemble pendant le stage. Merci aussi aux stagiaires d’IUT en spectrométrie de masse : Tiffanie et Pauline pour leur sympathie et les bons moments que j’ai passé avec elles.
  3. 3. 2 Table des Matières REMERCIEMENTS .................................................................................................................. 1 PRESENTATION DE L’ENTREPRISE ................................................................................... 3 INTRODUCTION A LA RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE ............................... 4 I. PRINCIPE DE LA SPECTROSCPOPIE DE RMN........................................................... 5 1. Le spin ............................................................................................................................. 5 2. Le phénomène de résonance............................................................................................ 5 3. Le déplacement chimique................................................................................................ 6 4. La multiplicité et la constante de couplage ..................................................................... 7 II. ANALYSE STRUCTURALE............................................................................................ 8 1. But et principe. ................................................................................................................ 8 2. Spectre 1 H 1D.................................................................................................................. 9 3. Spectre NOESY 2D....................................................................................................... 10 CONCLUSION ........................................................................................................................ 12 BIBLIOGRAPHIE ................................................................................................................... 13
  4. 4. 3 PRESENTATION DE L’ENTREPRISE Le Centre Régional de Mesures Physiques de l’Ouest (CRMPO) a été créé en décembre 1972 avec 2 objectifs principaux :  Mettre à la disposition de tous les chercheurs publics et privés, un ensemble d’équipements d’analyse structurale regroupés dans ses locaux en raison des coûts d’investissement et de maintenance élevés.  Disposer d’un personnel hautement qualifié pour piloter les spectromètres, et susceptible de dialoguer avec les utilisateurs afin de les former et les informer sur les possibilités de l’appareillage, de déterminer les structures de composés inconnus ou de valider les synthèses réalisées. Les techniques d’analyses structurales ou quantitatives actuellement en place sont :  La spectrométrie de masse haute résolution  La spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN) liquide  L’analyse élémentaire Ce laboratoire répond aux besoins en analyse des équipes de recherche de l’université de Rennes, d’autres universités ainsi qu’à ceux du domaine privé en France et à l’étranger. Figure 1 - BRUKER AVANCE III 400 MHz
  5. 5. 4 INTRODUCTION A LA RESONANCE MAGNETIQUE NUCLEAIRE La RMN est une technique d’analyse très utilisée pour déterminer par exemple la composition moléculaire ou la pureté d’un échantillon. En effet, les informations obtenues par l’analyse RMN permettent d’identifier les molécules, de déterminer leurs structures et d’étudier certaines de leurs propriétés physiques (changement de conformation, de phase, solubilité, ...). Ils existent aujourd’hui une grande variété d’expériences RMN qui permettent de déterminer ou de corréler quantité de paramètres structuraux ou dynamiques, aussi bien en phase liquide qu’en phase solide. Le spectromètre principalement utilisé au CRMPO est un BRUKER Avance III 400 MHz qui utilise une fréquence de 400 MHz dans le cas du 1 H et qui est constitué :  Un aimant de champ magnétique intense, stable et aussi homogène que possible. Les fils composant la bobine ne sont supraconducteurs qu’à très basse température, ce qui explique pourquoi ils sont refroidis via de l’hélium et de l’azote liquides.  Une sonde qui est l’intermédiaire entre l’aimant et l’échantillon, et qui permet notamment de détecter le signal RMN.  Une console qui regroupe l’ensemble des cartes électroniques gérant les impulsions, les délais ainsi que tous les paramètres nécessaires à l’acquisition. De plus, la console permet le contrôle et l’optimisation du champ magnétique grâce à la Bruker Smart Magnet System (BSMS). En effet, cette unité gère le lock deutérium qui permet d’obtenir une homogénéité temporelle du champ magnétique autour de l’échantillon et qu’il ne soit pas modulé par des perturbations externes. Cette BSMS permet également de contrôler les shims permettant d’obtenir une homogénéité spatiale du champ tout au long de l’échantillon et gère enfin divers paramètres (ascenseur à air comprimé, rotation de l’échantillon, niveau d’hélium, etc).  Un ordinateur servant d’interface entre l’utilisateur et le spectromètre, afin notamment de lancer les acquisitions et de retraiter les spectres via le logiciel TOPSPIN.
  6. 6. 5 I. PRINCIPE DE LA SPECTROSCPOPIE DE RMN 1. Le spin Un électron gravitant autour d'un noyau peut-être schématisé, de façon classique, comme une boucle de courant. En présence d'un champ magnétique statique B0, cette boucle se trouvera dans un état énergétique différent, selon le sens de déplacement de l'électron, c'est- à-dire le spin. De la même manière, le noyau est composé de particules élémentaires, protons et neutrons dont le nombre va déterminer la valeur du spin du noyau considéré. 2. Le phénomène de résonance Le moment magnétique est une grandeur vectorielle qui permet de mesurer l’intensité d’une source magnétique. La source peut être une distribution de courant, ou bien un matériau présentant un moment magnétique spontané. Les moments magnétiques totaux sont définis comme la somme des moments magnétiques nucléaires, représentée par la magnétisation macroscopique M. Cette dernière est, dans un champ intense B0, parallèle à ce dernier et est appelée dans ce cas magnétisation longitudinale (Figure 2A). L’application d’une radio fréquence dont la composante magnétique B1 est perpendiculaire au champ B 0 , provoque le basculement de cette magnétisation sur un plan xoy permettant d’obtenir une magnétisation transversale : c’est le principe de l’impulsion RMN ou pulse (Figure 2B). Les noyaux, dans une position énergétique défavorable, tendent à revenir à leur position initiale. La magnétisation transversale va alors revenir à l’équilibre en oscillant autour de l’axe z à la fréquence de précession spécifique de chaque espèce de noyaux et dépend de l’environnement électronique de ces derniers (Figure 2C). Figure 2 - Représentation schématique d’une impulsion RMN
  7. 7. 6 Une fois amplifié, le signal induit capté par la bobine réceptrice est appelé FID (Free Induction Decay), ou signal de décroissance à induction libre. Le signal FID représente un ensemble de sinusoïdes amorties en fonction du temps, chacune étant spécifique d’un ensemble de noyaux équivalents. Il s’agit d’un signal temporel, qui peut être transformé en un signal fréquentiel grâce à une opération mathématique appelée transformée de Fourier : le spectre RMN final est alors obtenu. Figure 3 - Transformée de Fourier 3. Le déplacement chimique Les électrons proches d’un noyau génèrent un champ magnétique de faible valeur, qui modifie localement le champ magnétique B0 créé par le spectromètre. Le champ magnétique subi par le noyau étudié, dépend donc de son environnement chimique influencé par les autres noyaux de la molécule. Le déplacement chimique, noté δ, correspond à la fréquence de résonance normalisée d’un spectre RMN. Il est déterminé à l’aide de la relation suivante : Avec υ la fréquence de résonance du noyau en question et υréf la fréquence de résonance d’une référence. Cette formule permet en effet de s’affranchir de la valeur du champ B0 utilisé, et ainsi uniformiser les échelles de fréquences pour les différents spectromètres exprimées en ppm (partie par millions). En RMN liquide, la référence la plus régulièrement utilisée dans les solvants organiques est le TMS (tétraméthylsilane) de formule Si(CH3)4. Dans le cas où un tube a été préparé sans TMS, la fréquence du pic résiduel du solvant peut également être utilisée comme référence.
  8. 8. 7 4. La multiplicité et la constante de couplage Dans un spectre RMN, un noyau ou un groupe de noyaux ayant n noyaux voisins équivalents couplent avec ceux-ci et donnent un signal constitué de (2 n I + 1) pics. Il s’agit de la règle de la multiplicité des signaux, et pour les noyaux dont la valeur de spin est égale à ½, le nombre de pics et leurs intensités relatives suivent la règle du triangle de Pascal (voir annexe n°2). On appelle constante de couplage n JA-B, la différence de fréquence entre deux pics d’un multiplet, résultant du couplage entre deux noyaux A et B séparés l’un de l’autre par n liaisons. Cette constante est usuellement exprimée en Hz et est réciproque entre A et B : si A couple avec B avec une certaine valeur, B couple avec A avec cette même valeur. Dans le cas du 1 H, les valeurs de J sont généralement comprises entre 1 et 20 Hz, et sont visibles pour des noyaux séparés maximum par quatre liaisons. Figure 4 - Exemples Couplages Multiples
  9. 9. 8 II. ANALYSE STRUCTURALE 1. But et principe. La molécule étudiée a pour référence « SD – 652 ». Elle a été synthétisée dans le laboratoire ISCR UMR 6226, dans l’équipe de Monsieur Christian BRUNEAU par Madame Sylvie DERIEN. Le but initial de cette analyse structurale était de savoir si le groupement méthyle CH3 10 était du même côté du cycle que le groupement ester CO2CH3 12 . Un second objectif était de vérifier la conformation de l’alcène (cis ou trans). Figure 5 - Formule développée Formule semi-développée : C21 H31 N O5 Si S Masse moléculaire : 437,63 g/mol Afin de répondre au premier objectif fixé, un spectre Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY (NOESY) a été réalisé afin de mettre en avant les proximités spatiales des divers noyaux 1 H. Pour répondre au second but de l’analyse, une mesure de constante de couplage a été réalisée. L’ensemble de ces analyses ont été réalisées dans le chloroforme deutéré de formule CDCl3.
  10. 10. 9 2. Spectre 1 H 1D Pour réussir à répondre au problème posé et montrer que le méthyle CH3 10 est du même côté du cycle que l’ester CO2CH3 12 ou non, il est nécessaire de réaliser une interprétation indirecte via les deux H2 de la molécule. En effet, si le CH3 10 et le CO2CH3 12 sont du même côté du cycle, cela signifie que le CH3 10 et le H1 ne voient pas le même H2 : H1 verrait celui au-dessus du cycle alors que le CH3 10 verrait celui en-dessous du cycle. Par contre, dans le cas contraire où le CH3 10 et le CO2CH3 12 ne sont pas du même côté du cycle, le CH3 10 et le H1 voient le même H2 se trouvant au dessus du cycle. Afin d’interpréter correctement cette proximité spatiale, il est avant tout nécessaire de réaliser une attribution 1 H de la molécule d’intérêt via l’acquisition d’un spectre 1 H (voir annexe N°5). Le point d’entrée de l’attribution correspond aux (CH3)3 9 qui sont les plus blindés car proches de l’atome de silicium. Leur signal est donc un singulet sortant à 0.08 ppm et intégrant pour 9H. Ensuite, le groupement CO2CH3 12 sort sous la forme d’un singulet à 3.70 ppm intégrant pour 3H, son déplacement chimique s’expliquant par la proximité de l’atome d’oxygène, très électro attracteur. Les méthyles CH3 17 et CH3 10 , sortant tous les deux sous la forme de singulets, intégrant chacun pour 3H, sont quant à eux différenciés par leurs déplacements chimiques : le méthyle CH3 17 est plus déblindé de par sa proximité avec le groupement aromatique et sort à 2.44 ppm alors que le CH3 10 sort à 0.97 ppm. Le H1 situé à côté de l’azote et du groupement ester méthylique est fortement déblindé et couple avec les H2 . Il est observable à 4.44 ppm sous forme un triplet (ou doublet de doublet avec deux J semblables) et intègre pour 1H. Les deux H2 sont d’ailleurs observables sous la forme de doublets de doublets intégrant chacun pour 1H à 1.86 ppm et 2.19 ppm sans pour autant qu’il soit possible de les discerner. De même, les deux H6 sont observés sous la forme de doublets intégrant chacun pour 1H à 0.64 ppm et 0.81 ppm mais ne sont pas actuellement discernables tout comme les deux H5 , présents sous la forme de deux doublets intégrant pour 1H à 5.58 ppm et 6.15 ppm. De plus, les H14 et H15 ne peuvent pas être différenciés avec le seul spectre 1 H, tout comme les H7 et H8 pour lesquels il est néanmoins possible de mesurer la constante de couplage égale à 14.4 Hz (voir annexe N°6), signe d’une conformation trans de l’alcène. Il s’agit deux doublet à 6.15 ppm et 5.58 ppm.
  11. 11. 10 3. Spectre NOESY 2D Maintenant que les H1 , H2 et CH3 10 sont attribués, il est possible de répondre au but initial de cette analyse structurale par l’intermédiaire d’un spectre NOESY (Nuclear Overhauser Effect SpectroscopY) qui est une analyse bidimensionnelle servant à voir les interactions dipolaires entre les 1 H à travers l’espace, signes d’une proximité spatiale. Comme il est possible de le voir sur le spectre NOESY réalisé (voir annexes N°7 et N°8), le H2 au dessus du cycle (celui qui est le plus proche spatialement du H1 ) à 2.20 ppm a également une tache NOESY avec le CH3 10 , permettant de mettre en évidence le fait que le H1 et le CH3 10 sont du même côté du cycle, ce qui permet d’affirmer que le CH3 10 et le CO2CH3 12 ne sont pas du même côté du cycle. De plus, le spectre NOESY permet de discriminer les différents pics qui ne pouvaient pas l’être via le spectre 1 H seul. En effet, il est possible de regrouper tous les 1H se trouvant au dessus du cycle ainsi que ceux se trouvant en dessous du cycle. Ensuite les deux doublets qui sont dans la zone supérieure à 7 ppm correspondent aux 1 H du cycle aromatique (H14 et H15 ) et sont distingués grâce au spectre NOESY qui permet de voir la proximité spatiale entre les H15 à 7.31 ppm et les CH3 17 . Les H14 sont quant à eux attribues au pic à 7.76 ppm. Les résultats obtenus après attribution complète sont résumés ci-dessous avec le format déplacement chimique (multiplicité, constante de couplage, intégration, attribution) : RMN 1 H (400 MHz, CDCl3) δ : 7.76 ppm (d, J = 8.3 Hz, 2H, H14 ), 7.31 ppm (d, J = 8.3 Hz 2H, H15 ), 6.15 ppm (d, J = 14.4 Hz, 1H, H7 ), 5.58 ppm (d, J = 14.4 Hz, 1H, H8 ), 4.44 ppm (t, J = 7.0 Hz, 1H, H1 ), 3.73 et 3.16 ppm (d, J = 14.0 Hz, 2H, H5 ), 3.7 ppm (s, 3H, H12 ), 2.44 ppm (s, 3H, H17 ), 2.19 et 1.86 ppm (dd, J = 14.5 et 6.5 Hz, 2H, H2 ), 0.97 ppm (s, 3H, H10 ), 0.81 et 0.64 ppm (d, J = 5.3 Hz, 1H, H6 ), 0.08 ppm (s, 9H, H9 ).
  12. 12. 11 En conclusion, une fois toute l’attribution faite, il est possible d’affirmer que la structure de la molécule étudiée est la suivante : En toute fois, le spectre 2D comme la NOESY apporte plus des informations supplémentaires permettant de faire l’analyse structurale sur la molécule étudiée. La connaissance de RMN 1 H notamment permet de comprendre le spectre NOESY et vice versa. Les deux techniques 1D et 2D alors sont complémentaires.
  13. 13. 12 CONCLUSION Ce stage au Centre Régional de Mesures Physiques de l’Ouest m’a permis de m’initier à la spectroscopie de Résonance Magnétique Nucléaire. Il s’agit d’une technique d’analyse structurale puissante qui se révèle être un outil indispensable pour les chimistes organiciens. Si elle permet la caractérisation complète de certains composés, la RMN liquide permet également de répondre rapidement à des questions structurales simples et peut même être utilisée comme méthode de contrôle de synthèse en routine. Ce stage m’a également permis d’approfondir considérablement mes connaissances, théoriques et surtout pratiques, en RMN. Ainsi, j’ai réalisé des études sur le 1 H, mais également sur différents noyaux comme le 13 C, 11 B, 19 F, 29 Si, 31 P, 77 Se, 111 Cd ou encore le 207 Pb ce qui était tout nouveau pour moi. Monsieur Clément ORIONE a réussi à me montrer toute la richesse de cette technique spectroscopique possédant des aspects instrumentaux et méthodologiques très variés. Pour réaliser l’analyse de la molécule décrite dans ce rapport, nous n’avons utilisé que des techniques classiques de spectroscopie RMN à une et deux dimensions. Cependant il existe d’autres techniques plus complexes telles que la RMN-3D, qui permettent de résoudre des structures de molécules plus complexes comme par exemple les protéines. Je terminerai ce rapport en disant que la RMN est un vaste domaine, qui nécessite un investissement important en temps et je voudrais bien continuer que ce soit sur le plan des études ou via une expérience professionnelle dans ce domaine.
  14. 14. 13 BIBLIOGRAPHIE  High Resolution NMR Technique in Organic Chemistry, Second Edition, Timothy.D.W.Claridge, 2009  Avance Bruker Beginners Guide, Version 001, Eamonn Butler, 2002  Manuel de Résonance Magnétique Nucléaire, Martin M.L., Martin G.J., Azoulay, 1971  La spectroscopie de RMN, Gunther.H, Masson 1994  Méthode spectroscopiques pour la chimie organique, Hesse.H, Meier.H, Zeeh.B, Masson, 1997  Carbon13 N.M.R for organic chemists, Levy.G.C, Nelson.G.L, Wiley Interscience, 1972  La RMN Concepts et méthodes, Canet.D, Masson, 1991  http://www.sciencefrance.com/techniques/RMN/RMN.htm  http://www.lachimie.fr/analytique/rmn/  http://www.lcc-toulouse.fr/lcc/spip.php?article43  http://culturesciences.chimie.ens.fr/content/histoire-de-la-rmn-autour-de-ses-premiers- acteurs-et-apres-959#e2  Logiciel MestReNova, version 10.0.1  Logiciel TopSpin, version 2.1
  15. 15. 14 Annexe N° 1 Spins de quelques noyaux Annexe N° 2 Triangle de Pascal Nombre de voisin(s) Intensité relative des raies Forme du signal n=0 1 Singulet n=1 1 1 Doublet n=2 1 2 1 Triplet n=3 1 3 3 1 Quadruplet n=4 1 4 6 4 1 Quintuplet n=5 1 5 10 10 5 1 Sextuplet
  16. 16. 15 Annexe N° 3 Spectromètre BRUKER AVANCE III 400 MHz Critère de spectromètre Résolution La résolution est l’aptitude d’un spectromètre à différencier deux raies d’un écart de fréquence telle que : R=Δν (en Hz) Elle est aussi caractérisée par la largeur à mi-hauteur des raies. Plus Δν est faible, meilleure sera la résolution. Dans le meilleur des cas sur le spectromètre utilisé, la résolution peut être égale à 0.4 Hz. Sensibilité La sensibilité caractérise la quantité minimale de noyaux décelables par l’appareil et est liée au rapport signal/bruit. Pour améliorer ce rapport, le nombre d’acquisition (aussi appelé nombre de scans NS) peut être augmenté. Ainsi, en multipliant le nombre de scans par k, le rapport signal/bruit sera multiplié par 𝑘.
  17. 17. 16 Annexe N° 4 Choix des solvants Conditions pour être un bon solvant : - il doit être chimiquement inerte vis à vis de la molécule ; - il ne doit pas posséder de protons ; - il ne doit pas donner de signaux dans la région d’étude de la molécule ; - le produit étudié doit être soluble dans le solvant ; Les solvants utilises sont deutérés. Les plus couramment utilisés sont les suivants : Déplacements chimiques en ppm Solvant H1 C13 OD2 4.79 3CDCl 7.26 77.23 33COCDCD 2.05 29.9 206.7 6DMSOd 2.50 39.5 66DC 7.16 128.4 22ClCD 5.32 54.0
  18. 18. 17 Annexe N° 5 Spectre RMN 1 H
  19. 19. 18 Annexe N° 6 Constante de couplage H7 et H8
  20. 20. 19 Annexe N° 7 Spectre 2D NOESY
  21. 21. 20 Annexe N° 8 Spectre 2D NOESY zoomé

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