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Cours de Terminale S: Physique
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chimie: molécule





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Cours de Physique  Terminale S


Observer - Chapitre 4 : L'analyse spectrale

Les spectres RMN du proton
 
Que signifie " RMN du proton " ?
RMN signifie Résonance magnétique nucléaire: il s'agit d'une technique d'analyse qui permet de déterminer la structure d'une molécule organique.
Il existe plusieurs types de RMN qui s'appliquent à différents noyaux d'atome mais la RMN du proton se limite à l'étude des noyaux d'atomes d'hydrogène qui sont désignés sous terme de " proton " car ils sont constitués d'un seul et unique proton.

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Principe de la RMN
Lorsqu'un proton est plongé dans un champ magnétique il dispose de deux états d'énergie E1 et E2 d'autant plus éloignés que le champ le champ magnétique est intense. Il peut passer de l'état E1 à l'état E2 en absorbant un rayonnement électromagnétique d'une fréquence
ν telle que E2 - E1 = hν. Cette absorption correspond à un phénomène appelé resonance.
La fréquence de résonance
νref d'un proton est modifié par la présence d'électrons qui diminuent l'intensité du champ magnétique perçu par le proton.
La fréquence de résonance d'un proton au sein d'une molécule dépend donc des liaisons voisines.
Il est par conséquent possible de déterminer  l'environnement chimique d'un proton ( puis la structure d'une molécule ) en étudiant leur fréquence de résonnance.

Les spectres RMN
Un spectre RMN comporte des pics ou séries de pics appelés " signaux " correspondant à la résonance des différents protons présents dans une molécule.
Ces signaux sont placés sur un axe horizontale indiquant une grandeur appelée " déplacement chimique " notée 
δ et exprimée en partie par million ( ppm ).
Le déplacement chimique reflète le décalage entre la fréquence de résonance des protons de la molécule étudiée et une fréquence de résonance prise pour réference.
En général la fréquence prise pour référence est la fréquence de résonnance des protons de la molécule de tétramethylsylane (TMS).

Comment repérer des protons équivalents dans une molécule ?
Des protons sont dits équivalents si leur environnement chimique est le même.
En particulier des protons sont équivalents:
- s'ils sont portés par un atome ne comportant pas de liaisons multiples.
- s'ils sont portés par deux atomes  identiques ayant le même environnement. De tels atomes sont alors symétriques l'un de l'autre par l'un des éléments de symétrie de la molécule ( plan, axe ou centre de symétrie ).
Exemples:
La molécule d'éthanol La molécule d'éthane-1,2-diol
CH3 - CH2 - OH HO - CH2 - CH2 - OH
- Les 3 protons de CH3 sont équivalents
- Les 2 protons de CH2 sont équivalents
- Les deux groupes CH2 ont des protons équivalents.
- Les deux groupes hydroxyle OH ont des protons équivalents

 Déplacement chimique de protons équivalents
Par définition, des protons équivalent possèdent le même environnement chimique et perçoivent donc le même champ magnétique: des protons équivalents ont le même déplacement chimique et forment un seul et même signal sur un spectre RMN.

Déterminer le nombre de protons équivalents correspondant à un même signal sur un spectre
Sur un spectre RMN la courbe d'intégration comporte des paliers à chaque signal dont la hauteur est proportionnelle au nombre de protons:
- Si un premier palier est deux fois plus haut qu'un deuxième alors le premier signal correspond à deux fois plus de protons que le deuxième ( il peut y avoir 1 et 2 protons ou 2 et 4 ou 3 et 6 etc )
- Si un premier palier est trois fois plus haut qu'un deuxième alors le premier signal correspond à trois fois plus de protons que le deuxième ( il peut y avoir 1 et 3 protons ou 2 et 6 ou 3 et 9 etc )
- S'il existe un rapport de 3 / 5 entre deux palier alors il y a aussi un rapport de 3 / 5 entre le nombre de protons des deux signaux ( il peut y avoir  3 et 5 protons ou 6 et 10 etc )
Etc

Les signaux à pics multiples
Les protons portés par un carbone sont susceptibles d'interagir avec les protons portés par un carbone voisin et il résulte de cette interaction un signal comportant plusieurs pics:
Si un proton est porté par un atome de carbone dont le où les atomes de carbone voisins portent au total un nombre n de protons alors le signal obtenu comporte n + 1 pic.
Exemples:
-  dans le cas d'un proton voisin alors le signal comporte 1 + 1 = 2 pics
- dans le cas de deux protons voisins alors le signal comporte 2 + 1 = 3 pics
- dans le cas de trois protons voisins alors le signal comporte 3 + 1 = 4 pics
etc

Déterminer la structure d'une molécule à l'aide d'un spectre RMN
La formule brute des molécules analysées sont en général connues ( grâce à d'autres méthodes telles que la spectroscopie de masse ) et la RMN permet de déterminer sa structure à partir des éléments suivants:
- La valeur des déplacements chimiques des différents signaux permet d'identifier certaine liaisons.
- La courbe d'intégration permet de déterminer le nombre de protons équivalents entre eux.
- La multiplicité des pics permet de connaître le nombre de protons portés par les carbone voisins.
 








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