(ou, Qu’est-ce que la spectroscopie RMN ?)
La résonance magnétique nucléaire (RMN) a été observée pour la première fois de manière expérimentale à la fin de 1945, presque simultanément par les groupes de recherche de Felix Bloch, à l’université de Stanford, et d’Edward Purcell, à l’université de Harvard. Les premiers spectres de RMN ont été publiés dans le même numéro de Physical Review en janvier 1946. Bloch et Purcell ont reçu conjointement le prix Nobel de physique en 1952 pour leur découverte de la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire.
Le phénomène RMN repose sur l’interaction des noyaux de certains isotopes atomiques avec un champ magnétique statique. Ce champ magnétique fait que les états de spin possibles du noyau diffèrent en énergie, et en utilisant les techniques de RMN, les spins peuvent être amenés à créer des transitions observables entre les états de spin. Les noyaux actifs en RMN les plus courants sont le 1H, le 13C, le 31P, le 15N, le 29Si, et bien d’autres encore. Presque chaque élément possède au moins un isotope actif en RMN.
Depuis lors, la spectroscopie RMN est devenue un outil incontournable pour la détermination de la structure moléculaire, l’étude de la dynamique moléculaire et la caractérisation des matériaux au niveau moléculaire par les chimistes, les physiciens et les biologistes moléculaires. Pendant les premières décennies, les chercheurs se sont appuyés sur les spectres RMN unidimensionnels des noyaux actifs en RMN. Ces spectres ont un axe de fréquence, et l’analyse repose sur les décalages de fréquence relatifs entre des noyaux chimiquement non équivalents, combinés à la différence des intensités intégrées relatives des pics. Dans les années 1970, la RMN bidimensionnelle a été découverte et a rapidement fait évoluer la RMN vers l’outil puissant qu’elle est aujourd’hui pour la détermination de la structure moléculaire. Les spectres de RMN bidimensionnels ont deux axes de fréquence, qui peuvent correspondre à des noyaux similaires (par exemple 1H-1H) ou à des noyaux différents (par exemple 1H-13C), et une troisième dimension d’intensité de pic. Plus récemment, on a mis au point des expériences de RMN qui contiennent des informations en trois, quatre et même cinq dimensions. La capacité de la RMN à élucider la structure moléculaire semble presque illimitée. L’importance de la RMN pour la communauté scientifique est illustrée par les prix Nobel subséquents attribués à R.R. Ernst en 1991 (chimie), K. Wütrich en 2002 (chimie) et P. Lauterbur &P. Mansfield en 2003 (médecine).
L’utilité de la RMN découle du fait que des noyaux chimiquement distincts diffèrent en fréquence de résonance dans le même champ magnétique. Ce phénomène est connu sous le nom de déplacement chimique. En outre, les fréquences de résonance sont perturbées par l’existence de noyaux voisins actifs en RMN, d’une manière qui dépend des électrons de liaison qui relient les noyaux. C’est ce qu’on appelle le couplage spin-spin, ou couplage « J ». Le couplage spin-spin permet d’identifier les connexions entre les atomes d’une molécule, grâce aux liaisons qui les relient. Combiné à la capacité d’utiliser des informations quantitatives à partir des intensités des pics, on peut déterminer très précisément comment les atomes se combinent pour former une structure moléculaire unique.
Un exemple de la façon dont les spectres RMN peuvent être utilisés pour identifier la structure d’une molécule commune
En savoir plus sur les instruments RMN disponibles à l’Université du Colorado à Boulder
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