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RMN_Chap X

R.Dupeyre_2002_LA RMN 13C_ RMN de "Spins Dilués" 1

LA RMN 13C RMN DE " SPINS DILUES"

X _ INTRODUCTION. La RMN 13C présente quelques particularités notables par rapport à la RMN 1H. Noyau Spin υυυυL(à 5,87T) Sensibilité Abondance

Naturelle Sensibilité Relative

Echelle (ppm)

1H 1/2 250 MHz 1 100% 1 �13 13C 1/2 63 MHz 1/63 1,1% 1/6000 �250 L'isotope 12C qui ne possède pas de spin nucléaire est à 99% en abondance naturelle. X.1 Sensibilité de la RMN 13C. D'une façon générale, la sensibilité S d'un noyau est de la forme:

NKS 3γ= (N: nombre de spins détectés). Ce qui donne en comparant avec le 1H:

63/1)()()( 3

1

13

1

13

==HC

HSCS

γγ

De plus, il n'y a qu'environ 1% d'atomes actifs, ce qui explique la faible intensité du signal S de RMN 13C:

5671/198,99

108,1.)

58,4271,10

()()(

.)()()( 3

13

3

1

13

1

13

1 ===HxCx

HC

HSCS

γγ

Aussi faut-il: * Augmenter les concentrations de produit (c'est à dire N) de 5 à 10 fois celles utilisées en 1H. * Accumuler plusieurs fois le signal de résonance (voir chapitre acquisition). * Effectuer le découplage hétéro nucléaire pour supprimer les couplages JCH. X.2 Simplicité des spectres 13C. Les spectres RMN 13C ne présentent pas de couplage homo nucléaire J13C-13C, contrairement aux spectres 1H qui possèdent des couplages JH-H. En effet et ceci est valable pour toute RMN de spins dits "dilués". Considérons l'exemple de l'alcool propylique: 3CH3-2CH2-1CH2-OH4

1) Cas 1H En RMN du 1H, chaque molécule vraie (et non pas mole) montre 4 types de protons:

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3CH3 2CH2 1CH2 et OH4 qui résonneront auIX déplacements chimiques δ1, δ2, δ3 et δ4.

2) Cas 13C Alors qu'en 13C, sur 100 molécules vraies, seulement ∼1 aura un 13C en 1C, une autre en 2C et une troisième en 3C: ∼1 molécule: CH3-CH2-13CH2-OH (A) ∼1 molécule: CH3-13CH2-CH2-OH (B) ∼1 molécule: 13CH3-CH2-CH2-OH (C) et à chacune de ces molécules (on les appelle des isotopomères, puisque elles sont des isomères qui ne différent que par un isotope), il correspondra un spectre simple 13C, non couplé avec d'autres 13C, mais couplés avec les protons portés par ce 13C. Il suffit pour identifier le carbone correspondant de découplé les protons (voir ci-dessous) du spectre de résonance 13C . Ce spectre se réduit alors à une simple raie de résonance correspondant au déplacement chimique du carbone concerné par isotopomère:

Le spectre global est donc la superposition des quatres isotopomères A,B et C et celui 12C.

δδδδ ∼∼∼∼4,7 ∼∼∼∼4 ∼∼∼∼2,5 ∼∼∼∼1 ppm 4OH 1CH2 2CH2 3CH3

δδδδ(ppm) ∼∼∼∼60 ∼∼∼∼25 ∼∼∼∼15

A B C A+B+C

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Remarque: Il existe aussi des isotopomères suivant: 13CH3-13CH2-CH2-OH , 13CH3-CH2-13CH2-OH et CH3-13CH2-13CH2-OH avec une probabilité de 0,0001 et 13CH3-13CH2-13CH2-OH (0,000001). Ces 4 isotopomères ne seront donc pas observés car trop dilués. Heureusement, car cela signifierait que l'on aurait comme en proton des couplages J13

C-13

C qui compliqueraient le spectre 13C. X.3 Mise en évidence de couplage JHH en proton à partir des satellites 13C.

a) Cas simple CHCl3. Considérons le chloroforme. On peut observer les satellites 13C (1%) qui seront donc à 0,5% du signal majoritaire 1H.

(doublet dû au couplage JCH). Pour 100 molécules de CHCl3, il y a 99 de 12CHCl3 (A) et 1 de 13CHCl3 (B). L'isotopomère (B) risque du fait du bruit de fond d'être inobservable. Par contre en RMN 13C, le spectre observé ne donnera que isotopomère (B) avec un doublet. Le spectre irradié des 1H, donnera un singulet.

JC-H = 209 Hz

I=99

I*=0,5

A B A+B

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(***) Voir partie N.O.E

b) Mesure de couplage JHH inobservable par symétrie.

En effet, dans certain cas de symétrie dans des molécules, il peut y avoir des couplages JHH inobservables. Exemple: Le diethylfumarate

Du fait de l'axe C2, les deux protons sont géométriquement et magnétiquement équivalents. Il n'est donc pas possible d'observer le couplage faible JHAHB, car on n'observe qu'une seule raie. Il existe cependant un isotopomère ( 0,01 fois moins concentré) avec un 13C par exemple, rendant les protons non magnétiquement équivalents.:

JC-H = 209 Hz I*=1/100/2/63=8.10-5

(B) (B)-{1H}

I*-{1H}=1/100/63=4.10-5*3=5.10-4(****)

(A)

CO2C2H5

C2H5CO2 HB

HA C2

δδδδA,B

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En fait, HA voit les deux états de spins de 13C. On a donc deux fréquences δδδδA1 et δδδδA2 distantes de J13C-H . Ces deux fréquences voient alors les deux états de spins de HB et donc deux raies distantes de JHAHB. Il en est de même pour HB et on obtient alors avec des intensités très faibles deux quadruplets avec les couplages J13C-HA et J13C-HB et JHAHB. On a typiquement un spectre de type: A A' X(1%) et A2(99%) En RMN du 13C, le même composé donne uniquement deux raies séparées de J13C-H en intensité relative par rapport au 1H I13C=1/100/2/63=810-5(spectre non découplé du proton) Dans le cas d'un découplage proton, on n'observe plus qu'uns seule raie dont l'intensité relative est de: 8 10-5* 2*3=510-4 (le 3 vient du NOE, 2 du doublet).

CO2C2H5

C2H5CO2 HB

HA C2

13C* J13C-HA

JHA-HB JHA-HB

δδδδHA

JHA-HB

J13C-HB

δδδδHB

J13C-HA #### J 13C-HB J13C-HA � 156 Hz J13C-HB � -2,5 Hz

JHA-HB�12 Hz

1J13C-HA 2J13C-HB

I13C � 1/2/2/100/63= 4. 10-5*2=8. 10-5

13C{1H} Découplage I13C{1H} � 1/100/63*2*3= 9. 10-4

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X.4 Le découplage hétéro nucléaire: l'effet N.O.E. Il consiste à irradier en large bande, toute la gamme de fréquence de résonance des protons, pendant que l'on observe les 13C.

Cela consiste en fait, à rendre égale la population des spins αααα et � des protons liés au carbone (l'opérateur de spin < IZ

H> ≡≡≡≡ 0). De ce fait le couplage J 13C-H n'existe plus et donc seule persiste la résonance du carbone isolé.

Solomon a montré que le signal est alors augmenté d'un facteur dépendant des rapports gyromagnétique des deux noyaux considérés et que cette augmentation peut se calculer à partir de la formule:

ηηηη

X{A}

X

A

X

eq

X

eq

X

III

stat

γγ2

=−

= . A étant le noyau irradié et X le noyau observé.

Les valeurs IStat et Ieq correspondent aux valeurs des aimantations du spin X avec irradiation de A et l'aimantation de X sans irradiation de A.

� 15ppm

υυυυ1H υυυυ13C

�(H) αααα(H)

Spectre 13C couplé J13C-H

υυυυ13C

Irradiation {1H}

Spectre 13C découplé -{1H}

� 250ppm

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Dans le cas limite du rétrécissement extrême (cas général des liquides). Ce facteur ηηηηappelé "facteur d'effet Overhauser Nucléaire"(N.O.E) provient uniquement des interactions dipolaires entre les noyaux.

Cela donne alors X

eq

X

eq

X

NOE

III −

=η ou η+= 1X

eq

X

NOE

II

.

Pour le 13C, 99,12

==C

H

C γγη . Soit 3≤

C

eq

C

NOE

II

.

De ce fait, l'irradiation des 1H permet de supprimer les multiplets dus aux couplages J13C-H et d'amplifier le signal par un effet non négligeable (3 au maximum). Cependant, cet effet du N.O.E n'est pas toujours maximum car en fait il dépend de plusieurs facteurs et notamment de la valeur de relaxation T1 du noyau observé. Cela entraîne selon que le carbone est lié à zéro, un, deux ou trois protons des différences notables sur les valeurs de N.O.E. La conséquence directe de ce phénomène est que la RMN 13C-{1H} est difficilement quantitative si l'on ne connaît pas ηηηη ou si on n'utilise pas des séquences spéciales (voir en TP). Remarques:

1) Appliquée à des noyaux de γγγγIX très petits par rapport à γγγγH , la relation donnant l'effet N.O.E peut permettre d'augmenter de façon significative le signal RMN d'un tel noyau.

2) Un des inconvénient majeur de cet effet N.O.E est que pour des noyau de γγγγ négatif ( 15N) on

peut dans certain cas où ηηηη=-1 n'avoir aucun signal RMN de ce noyau

EX: 15N (I=1/2 , γγγγ15N = - 2,71. 107 rd.T-1s-1 ). Ce qui entraîne une valeur de

η15N=-5, soit 4−≤N

eq

N

NOE

II

. Mais dans le cas où le N.O.E est incomplet, par exemple

η15N =-1. on se retrouve avec une valeur de 0=N

eq

N

NOE

II

. On n'observe donc plus de

signal RMN.

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3) Il peut être aussi très faible par exemple dans le cas de composé contenant du Fluor ou du Phosphore.

53,1≤F

eq

F

NOE

II

3,2≤P

eq

P

NOE

II

53,02

==F

H

F γγη , 3,1

2==

P

H

P γγη

4) Ce qui vient d'être donné pour l'irradiation hétéro nucléaire est aussi valable pour l'irradiation

homo nucléaire. Dans le cas d'irradiation sélective en 1H, on observe aussi un effet Overhauser qui est

dans ce cas 5,02

==H

H

H γγη et donc un effet 5,1≤

F

eq

F

NOE

II

. On se rend bien compte que cette

irradiation peut alors conduire à une augmentation du signal RMN 1H de 50%.

X.5 Les séquences d'impulsions en RMN 13C.

a) Séquence de base : découplage large bande " Broad Band Decoupling"_(BB).

Cette séquence est généralement toujours utilisée pour observer le spectre 13C d'un produit avec le maximum de sensibilité ( avec Effet Overhauser ).

RMN 15N sans N.O.E

RMN 15N avec N.O.E maIX

RMN 15N avec N.O.E =-1

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Comme la valeur de l'effet Overhauser ηηηη est du à l'interaction dipolaire, on montre que croit ou décroît selon T1. Si l'on

veut obtenir l'effet Overhauser max ηηηη≤≤≤≤ 2, il est donc nécessaire que le système est eu le temps de relaxer entre deux

séquences d'impulsion ce qui implique que D1+AQ ≥≥≥≥ 5T1( cas où Pw=90°). Malheureusement, ce temps de 5T1 peut être prohibitif, si par exemple les T1 sont longs). Dans ce cas, on essayera d'attendre moins longtemps de manière à accumuler plus, ce qui est plus avantageux. Ceci est obtenu en jouant sur l'angle d'impulsion Pw(RF). Ce qui est obtenu en utilisant l'angle de Ernst qui permet de réduire ce temps d'attente entre deux impulsions.

b) Séquence permettant de mesurer l'effet Overhauser: "INVERSE GATED DECOUPLING".

En effet, il est parfois nécessaire de connaître la valeur de (par exemple pour calculer le % des différentes interactions intervenant dans le mécanisme de relaxation). Il faut dans ce cas avoir le spectre identique au précédent sans effet Overhauser. Ceci est obtenu par la séquence dite "INVERSE GATED DECOUPLING".

Avec cette séquence, le spectre est entièrement découplé des 1H ne bénéficie pas de l'effet N.O.E. Cette séquence est donc quantitative.

D1 Pw De AQ

Broad Band Decoupling ( BB)

n

B1(13C) B2 (1H)

13C-{1H} _ Sans N.O.E

D1 Pw De AQ


n

B1(13C) B2 (1H)

D1 : Temps d'attente( relaxation du système de spins) Pw: impulsion de RF ( Max Pw=90° ) De: temps mort après l'impulsion RF (qq µµµµs) AQ: temps d'acquisition du signal RMN (ouverture récepteur) D1 + AQ ≥≥≥≥ 5T1 si Pw=90°

13C-{1H} Avec N.O.E

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Transcrotonaldehyde (: 13C ) : CaH3 CcH= CbHCdHO a=18.2,b=134.9,c=153.7,d=193.4ppm Le temps d'acquisition doit être négligeable par rapport au temps de relaxation T1 pour que l'effet Overhauser n'apparaisse pas pendant l'acquisition (c' est généralement le cas). La soustraction des deux signaux, avec et

sans effet N.O.E, permet alors de mesurerηηηη à partir la formule: η+= 1C

eq

C

NOE

II

.

Remarque: Cette séquence est souvent utilisée en RMN 15N découplé des 1H, car cela évite d'avoir aucun signal RMN 15N ( cas ηηηη =-1). c) Séquence "GATED DECOUPLING".

Il est aussi parfois nécessaire de connaître les valeurs des couplages 1J13C-H d'un produit. Compte tenu que le spectre 13C couplé avec les protons va apparaître sous forme de multiplet, il est évident que la sensibilité va décroître très rapidement. Aussi, on utilise une séquence qui permet d'obtenir le spectre multiplet mais en utilisant l'effet Overhauser. Cette séquence inverse de la précédente n'est pas quantitative puisqu'elle tient compte des NOE qui peuvent être différents suivant les carbones considérés.

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Cf_ Spectre 13C sans NOE et avec NOE(Inverse Gated Decoupling) du DIOXAN C4H8O2 .

Il faut noter qu'il existe d'autres séquences plus rapides permettant d'obtenir les mêmes informations sur les couplages mais avec une meilleure sensibilité (Séquence INEPT). Effet du découplage suivant sa position dans une séquence:

Type de spectre _ Obtenu

DECOUPLEUR

D1 AQ Couplé sans NOE OFF OFF Couplé avec NOE ON OFF Découplé sans NOE OFF (5T1) ON Découplé avec NOE ON ON

D1 Pw De AQ


n

B1(13C) B2 (1H)

13C _Avec N.O.E

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X.6 Réalisations des spectres RMN 13C.

a) Les échantillons.

Ils sont mis en solutions dans des solvants deutérés. La concentration, du fait que les spins sont "dilués", peut et doit être plus grande que pour la RMN 1H (sensibilité 6000 plus faible). Cela dépend bien entendu de la solubilité du composé dans le solvant. Il faut cependant se méfier d'une trop grande concentration qui augmenterait la viscosité de la solution et qui pourrait modifier l'homogénéité de champ B0 au sein de l'échantillon (élargissement des raies car T2 plus court).

b) La gamme des résonances 13C.

Elle est bien supérieure ( � 250ppm) à celles des 1H( � 15ppm). On peut donc bien distinguer les différents types de carbones. D'autant plus que des méthodes (DEPT, INEPT) permettent de distinguer ces carbones avec ou sans couplages. Cf_ tableau des δδδδ13C et δδδδ1H. On classe les spectres des carbones d'après la multiplicité obtenus avec le nbre de 1H liés et couplés avec 1J13C-H. 1J CH sp3 < sp2< sp ( 125 <167 < 250 Hz ) Singulet (S) Carbone quaternaire ( aucun proton directement lié) Doublet (D) Carbone avec 1 seul proton Triplet (T) Carbone avec 2 protons Quadruplet (Q) Carbone avec 3 protons.

c) Les solvants.

Ils sont comme pour toute étude de noyau par RMN, deutérés ( sauf bien sur en RMN du 2H). Le deutérium de ce solvant sert tout d'abord à s'affranchir de la résonance des H du solants ainsi que des couplages (seul persiste le couplage 1J 13C-2H ou le résiduel 1H). IL sert aussi, dans tout les appareil RMN à verrouiller la fréquence(LOCK) d'observation, afin d'éviter les dérives qui peuvent perturber les spectres RMN. Les solvants couramment utilisés sont: Chloroforme CDCl3 Benzene C6D6 Dichloromethane CD2Cl2 DMSO (CD3)2SO Acétone (CD3)2CO Eau Lourde D2O, ……. .

Dans le spectre 13C, ils sont présent sur le spectre (sauf D2O) par isotopomère (1%) , non découplés (plus de protons sauf impureté) et sans effet NOE. On observe donc des couplages avec le 2H (Spin=1, donc quadrupolaire).

EIX: CDCl3, DMSO_d6, C6D6, (CD3)2CO. Il faut reconstruire le spectre 13C en tenant compte maintenant de la valeur du spin du deutérium I=1( états de spins ms= ±±±± 1,0).

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CDCl3

La valeur du couplage 1J13C-D peut être déterminé à partir de celle du couplage 1J13C-H. En effet les valeurs de J dépendant de la valeur des γγγγ des différents noyauIX couplés (Chap III). En conséquence, on obtient la formule:

ji

ij

ji

ij

JJ

''γγ

= . Sachant que : 51,6=D

H

γγ

et compte tenu que le couplage 1J13C-H dans le chloroforme est de

208Hz, il vient que celui du composé deutéré 1J13C-D=208/6,51=32 Hz. Il faut remarquer que théoriquement les trois raies ainsi obtenues devraient avoir la même intensité. Cependant, Pople a montré que du fait du quadripôle du deutérium, les intensités réelles sont: 0,9 _1,1 et 0,9 pour ce triplet. Compte tenu que le temps de relaxation de ce carbone lié au deutérium est plus long que celui du composé protonné (le même rapport 6 des γγγγ intervient) ces signaux deviennent en général plus faible que prévu.

DMSO_d6. Dans le DMSO protonné, le couplage 1JCH est d'environ 137 Hz, ce qui donne pour 1JCD � 21 Hz. Le

couplage 3JCD est lui de l'ordre de zéro. Les deux CD3 sont magnétiquement et chimiquement équivalents. Donc une seule fréquence 13C de résonance.

Le spectre 13C du DMSO_d6 est un septuplé (7raies) construites comme précédemment.

1 1 1 1 2 3 2 1 1 3 6 7 6 3 1 (27 transitions)

δδδδ13C =39,5ppm

1J13C-D =21 Hz DMSO_d6

ms=+1 ms=0 ms=-1

1J13C-D

1J13C-D =32 Hz

δδδδ13C = 77,2 ppm

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C6D6. 1JCH = 156 Hz ��1JCD = 24 Hz et 3JCD =0. Le spectre obtenu pour les 6 isotopomères est un triplet comme pour le chloroforme car par symétrie tout les carbones sont magnétiquement et chimiquement équivalents. δδδδC=128,6 ppm.

CD3-CO-CD3. 1JCD = 20 Hz et 2JCD � 0,9 Hz(13CO ). On observe donc deux multiplets: 13CO �� δδδδ13CO=206,3 ppm( 13 raies du fait des 2 CD3) et �� δδδδ13CD3=29,8 ppm(7 raies 1,3,6,7,6,3,1).

Remarque sur les solvants:

Ces solvants sont utilisés en RMN du 1H et pourtant on observe des raies de résonance. En fait, ces solvants ne sont jamais deutérié à 100%. Les produits commerciaux sont donnés pour être à 99,6 à 99,9%deutérié. Il reste donc une partie protonnée qui est suffisante pour être observée en 1H.

Chloroforme CDCl3 99,8% en Atome Benzène C6D6 99,6% Dichloromethane CD2Cl2 99,6% DMSO (CD3)2SO 99,8% Acétone (CD3)2CO 99,8% Eau Lourde D2O, ……. . 99,97%

Ce qui montre qu'en fait il y a dans les solvants deutérié l'isotopomère d1 en concentration 2/1000, 4/1000, etc….

CHCl3 <210-3 C6D5H <410-3 CDHCl2 <410-3 CD3CD2HSO <210-3 CD3CD2HCO <210-3 HOD, ……. . <0,310-3

Exemple en 1H:

On observe un signal résiduel pour le chloroforme_d à 7,26ppm Pour le benzène_d6, ce signal résiduel à 7,16ppm est plus complexe car il existe maintenant des couplages: 2JHD(ortho) � 1,16Hz, 3JHD(meta) � 0,2Hz! et 4JHD(para)� 0,1Hz!!. Le spectre est un

multiplet dont on n'observe pas toutes les raies car les couplage 3J et4J sont trop faibles (uniquement 5 raies). Pour le dichlorométhaned2, on observe en fait un triplet à 5,22ppm, du au 2JHD � -1,08Hz (2JHH � -7,1Hz). Pour le DMSO_d6, le résiduel proton à 2,6ppm est un multiplet de 5 raies avec 2JHD � -1,7Hz (2JHH � -11Hz). Pour l'acétone_d6, le résiduel proton à 2,05ppm est un multiplet de 5 raies avec 2JHD � 2,2Hz (2JHH � 14Hz).

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