Résonance Magnétique Nucléaire - Cours théorique de RMN

L'intérêt principal de la RMN en chimie est de déterminer la structure d'une molécule. Mais avec le développement des RMN de paillasse, le dosage est devenu une application très intéressante.

Principe de la RMN

La spectroscopie RMN consiste à observer les transitions entre 2 niveaux d'énergie très proches d'un noyau soumis à un champ magnétique.
Lorsque l'on soumet un noyau d'hydrogène à un champ H0, les noyaux vont s'aligner sur champ magnétique (c'est à dire leur moment magnétique de spin μ). Leur nombre quantiquemagnétique de spin aura soit comme valeur ms = ½ , état le plus stable dans le même sens que H0, soit ms=-1/2 à l'opposé de H0 et minoritaire (valable pour les noyaux de nombre de spin I = ½). Le rapport entre les 2 populations est proche de 1. Il en résulte une légère aimantation notée M0. Une transition électronique entre ces 2 niveaux est possible, d'où le phénomène de résonnance. Au niveau macroscopique, l'apparation de 2 niveaux d'énergie avec des populations de spins différentes entraine une aimantation résiduelle alignée à H0

Niveau de spin

Quand le noyau est soumis à H0 il s'aligne sur le champ mais entre aussi en précession (suite à son mouvement de rotation sur lui-même). Le moment magnétique prend une vitesse angulaire proportionnelle à H0: w0 = γB0

Precession de spin

Pour qu'il y ait basculement, il faut appliquer un champ H1 perpendiculaire à μ de façon à ce que la force générée fasse basculer μ (règle de Lorentz ou des 3 doigts)

Basculement de spin

Si le champ H1 est fixe la condition n'est remplie qu'une fois par rotation ... d'où l'obligation de créer un champ tournant H1. Concrètement on simule un champ tournant grâce à un solénoïde et un courant alternatif. La vitesse de rotation simulée w1 doit être égale à w0. Les conditions pour un basculement sont ainsi toujours remplies!
Lorsque la fréquence de Larmor est atteinte, il y a résonance et basculement de l'aimantation M0.

Cette fréquence de résonnance est donc proportionnelle au champ magnétique B0 (60 mHz pour le proton soumis à un champ B0 de 1,4 T). Par conséquent, si l'environnement électronique perturbe celui-ci, la résonnance aura lieu à une fréquence légèrement différente. On parle d'effet d'écran. Les signaux sont placés sur une échelle que l'on appelle déplacement chimique.

La technique utilisant une fréquence fixe et un balayage de champ est abandonnée pour la RMN impulsionnelle car beaucoup précise: H0 reste fixe, et on envoie un «flash» de radiofréquence balayant la zone de fréquence intéressante. On excite ainsi tous les noyaux d'un coup. L'impulsion est de l'ordre de quelques microsecondes

Les cours de RMN

- le couplage permet d'expliquer la structure fine des pics
- les liaisons hydrogènes peuvent avoir une influence sur le déplacement chimique