Spectroscopie de r??sonance magn??tique nucl??aire

Un instrument RMN 900MHz avec un 21,1 T aimant ?? HWB-RMN, Birmingham, Royaume-Uni

Spectroscopie de r??sonance magn??tique nucl??aire, plus connue sous le nom de spectroscopie de RMN est une technique de recherche qui exploite les magn??tiques propri??t??s de certains noyaux atomiques . On d??termine les propri??t??s physiques et chimiques des atomes ou des mol??cules dans lesquelles elles sont contenues. Elle se appuie sur le ph??nom??ne de r??sonance magn??tique nucl??aire et peut fournir des informations d??taill??es sur la structure, la dynamique, l'??tat de r??action, et l'environnement chimique de mol??cules.

Le plus souvent, la spectroscopie RMN est utilis??e par les chimistes et biochimistes pour ??tudier les propri??t??s de mol??cules organiques , m??me si elle est applicable ?? tout type d'??chantillon qui contient des noyaux poss??dant essorage. Des ??chantillons appropri??s vont de petits compos??s analys??s avec une dimensions proton ou carbone 13 spectroscopie RMN ?? de grandes prot??ines ou acides nucl??iques utilisant trois ou quatre dimensions techniques. L'impact de la spectroscopie RMN sur les sciences a ??t?? consid??rable en raison de la gamme de l'information et la diversit?? des ??chantillons, y compris les solutions et solides.

Des techniques de RMN de base

L'??chantillon de RMN est pr??par?? dans un tube ?? paroi mince verre - un Tube de RMN.

Lorsqu'il est plac?? dans un champ magn??tique, RMN des noyaux actif (tel que ¹ H ¹³ ou C) absorbe un rayonnement ??lectromagn??tique ?? une caract??ristique de fr??quence de l' isotope . La fr??quence de r??sonance, l'absorption de l'??nergie et l'intensit?? du signal est proportionnelle ?? la force du champ magn??tique. Par exemple, dans une 21 Champ magn??tique Tesla, protons r??sonner ?? 900 MHz. Il est courant de se r??f??rer ?? un aimant 21 T comme un 900 Aimant MHz, bien que diff??rents noyaux r??sonnent ?? une fr??quence diff??rente ?? cette intensit?? de champ en proportion de leur les moments magn??tiques nucl??aires.

D??placement chimique

Une charge de filage g??n??re un champ magn??tique qui se traduit par un moment magn??tique proportionnelle ?? la rotation. En pr??sence d'un champ magn??tique ext??rieur, deux ??tats de spin existent (par un noyau de spin 1/2): une rotation et une rotation vers le bas, o?? une aligne avec le champ magn??tique et l'autre s'y oppose. La diff??rence dans l'??nergie (AE) entre les deux ??tats de spin augmente que la force du champ augmente, mais cette diff??rence est g??n??ralement tr??s faible, conduisant ?? l'exigence de puissants aimants RMN (1-20 T pour les instruments modernes RMN). Irradiation de l'??chantillon avec une ??nergie correspondant ?? la s??paration de l'Etat de spin exacte d'un ensemble sp??cifique de noyaux va provoquer une excitation de ceux ensemble de noyaux dans l'??tat d'??nergie plus faible ?? l'??tat d'??nergie plus ??lev??e.

Pour spin 1/2 noyaux, la diff??rence d'??nergie entre les deux ??tats de spin ?? une intensit?? de champ magn??tique donn?? sont proportionnelles ?? leurs moments magn??tiques. Cependant, m??me si tous les protons ont les m??mes moments magn??tiques, ils ne donnent pas de signaux de r??sonance aux m??mes valeurs du champ / fr??quence. Cette diff??rence r??sulte des diff??rents environnements ??lectroniques du proton. Lors de l'application d'un champ magn??tique externe, ces ??lectrons se d??placent en r??ponse au champ et g??n??rent des champs magn??tiques locaux se opposant au champ appliqu?? beaucoup plus forte. Ce champ locale ainsi "boucliers" le proton du champ magn??tique appliqu??, qui doit donc ??tre augment?? afin de parvenir ?? r??sonance (absorption de l'??nergie de rf). Ces incr??ments sont tr??s faibles, habituellement en parties par million (ppm). La diff??rence entre 2.3487T et 2.3488T est donc d'environ 42ppm. Cependant, une ??chelle de fr??quence est couramment utilis?? pour d??signer les signaux de RMN qui, m??me si le spectrom??tre peut fonctionner en balayant le champ magn??tique, et donc la 42 ppm est 4200 Hz pour une fr??quence de r??f??rence de 100 MHz (haute fr??quence).

Toutefois, ??tant donn?? que l'emplacement des diff??rents signaux de RMN qui d??pend de l'intensit?? du champ magn??tique externe et la fr??quence HF, les signaux sont g??n??ralement rapport??s par rapport ?? un signal de r??f??rence, g??n??ralement celui de TMS ( t??tram??thylsilane). De plus, puisque la distribution des signaux de RMN qui est d??pendant champ, ces fr??quences sont divis??es par la fr??quence du spectrom??tre. Cependant, puisque nous divisons Hz par MHz, le nombre r??sultant serait trop petit, et donc il est multipli?? par un million. Cette op??ration donne donc un certain nombre de rep??rage appel?? le "d??placement chimique" avec des unit??s de parties par million. Pour d??tecter ces diff??rences de fr??quence faible du champ magn??tique appliqu?? doit ??tre constant dans tout le volume de l'??chantillon. Haute r??solution spectrom??tres RMN utilisent des cales pour r??gler l'homog??n??it?? du champ magn??tique de parties par milliard ( ppb) dans un volume de quelques centim??tres cubes. En g??n??ral, les d??placements chimiques pour les protons sont tr??s pr??visible puisque les changements sont principalement d??termin??s par des effets de blindage plus simples (de densit?? d'??lectrons), mais les d??placements chimiques pour de nombreux noyaux plus lourds sont plus fortement influenc??s par d'autres facteurs, y compris des ??tats excit??s ("paramagn??tique" contribution ?? blindage tenseur).

Exemple de d??placement chimique: spectre de hexaborane B ₆ H ₁₀ pr??sentant des pics de RMN d??cal?? en fr??quence, ce qui donne des indices quant ?? la structure mol??culaire. (Cliquez pour lire les d??tails d'interpr??tation)

Le d??placement chimique fournit des informations sur la structure de la mol??cule. La conversion des donn??es brutes de ces informations est appel?? attribution du spectre. Par exemple, pour le spectre ¹ H-RMN de l'??thanol (CH ₃ CH ₂ OH), on se attendrait ?? des signaux ?? chacun des trois d??placements chimiques sp??cifiques: une pour le groupe C H _3, une pour le groupe C H ₂ et une pour le groupe O H. Un groupe typique CH ₃ pr??sente un d??calage d'environ 1 ppm, un CH ₂ OH attach?? ?? un a un d??calage d'environ 4 ppm et un groupe OH a un d??calage d'environ 2 ?? 3 ppm en fonction du solvant utilis??.

En Spectroscopie RMN paramagn??tique, les mesures sont effectu??es sur des ??chantillons paramagn??tiques. Le paramagn??tisme donne lieu ?? des d??placements chimiques tr??s diverses. En spectroscopie RMN 1H, la plage de d??calage chemcial peut se ??tendre sur 500 ppm.

En raison du mouvement mol??culaire ?? la temp??rature ambiante, les trois protons m??thyliques en moyenne au cours de la dur??e de l'exp??rience RMN (qui exige typiquement quelques mlle). Ces protons deviennent d??g??n??rer et former un pic ?? la m??me d??placement chimique.

La forme et la surface des pics sont des indicateurs de la structure chimique aussi. Dans l'exemple ci-dessus, le spectre de _{l'??thanol-CH3} pic du proton a trois fois l'aire du pic comme OH. De m??me, le pic ₂ CH serait deux fois la surface du pic OH mais seulement 2/3 de la zone de la pointe CH _3.

Le logiciel permet l'analyse de l'intensit?? du signal de pics, qui dans des conditions de relaxation optimale, en corr??lation avec le nombre de protons de ce type. L'analyse de l'intensit?? du signal se fait par l'int??gration math??matique de processus qui calcule l'aire sous une courbe. L'analyste doit int??grer la cr??te et pas mesurer sa hauteur parce que les pics ont aussi largeur -et donc sa taille d??pend de sa zone non sa hauteur. Toutefois, il convient de mentionner que le nombre de protons, ou toute autre noyau observ??, ne est proportionnelle ?? l'intensit??, ou l'int??grale du signal de RMN dans les exp??riences de RMN tr??s simples ?? une dimension. Dans des exp??riences plus ??labor??es, par exemple, des exp??riences g??n??ralement utilis??s pour obtenir 13 Les spectres de RMN du carbone, de l'int??grale des signaux d??pend de la vitesse du noyau de relaxation, et de ses constantes de couplage dipolaire et scalaires. Tr??s souvent, ces facteurs sont mal connus - donc, l'int??grale du signal de RMN est tr??s difficile ?? interpr??ter dans des exp??riences de RMN plus compliqu??es.

Couplage J

Exemple ¹ H spectre (une dimension) de la RMN de l'??thanol en tant que signal trac?? intensit?? en fonction d??placement chimique. Il existe trois types diff??rents de H dans de l'??thanol atomes concernant RMN. L'hydrog??ne (H) sur la Groupe -OH ne est pas le couplage avec les autres atomes de H et appara??t comme un singulet, mais la CH ₃ - et le CH ₂ - hydrog??nes sont couplage avec l'autre, r??sultant en un triplet et quatuor respectivement.

Certaines des informations plus utiles pour la d??termination de la structure dans un spectre RMN monodimensionnel provient de couplage J ou couplage scalaire (un cas particulier de couplage spin-spin) entre les noyaux actifs de RMN. Ce couplage r??sulte de l'interaction de diff??rents ??tats de spin ?? travers les liaisons chimiques d'une mol??cule et conduit ?? la s??paration des signaux de RMN. Ces mod??les de fractionnement peuvent ??tre simple ou complexe et, de m??me, peut ??tre carr??ment interpr??table ou trompeuse. Ce couplage fournit un aper??u d??taill?? de la connectivit?? des atomes dans une mol??cule.

Couplage ?? n ??quivalent (spin ??) noyaux divise le signal en un n 1 multiplet avec des ratios d'intensit?? suivant le triangle de Pascal comme d??crit sur la droite. Couplage ?? spins suppl??mentaires entra??nera de nouvelles lamelles de chaque composant du multiplet par exemple le couplage ?? deux noyaux de spin ?? diff??rente avec sensiblement diff??rentes constantes de couplage vont conduire ?? un doublet de doublets (abr??viation: dd). Notez que le couplage entre les noyaux qui sont chimiquement ??quivalente (ce est-ont le m??me d??placement chimique) n'a pas d'effet sur les spectres RMN et raccords entre les noyaux qui sont ??loign??s (g??n??ralement plus de trois liaisons ?? part pour les protons dans les mol??cules flexibles) sont g??n??ralement trop petits pour provoquer splittings observables. accouplements ?? longue port??e sur plus de trois liaisons peuvent souvent ??tre observ??s dans cyclique et compos??s aromatiques, conduisant ?? d'autres mod??les de fractionnement complexes.

Par exemple, dans le spectre de proton pour l'??thanol d??crite ci-dessus, le groupe CH ₃ est divis?? en un triplet avec un rapport d'intensit?? de 1: 2: 1 par les deux voisins CH ₂ protons. De m??me, le groupe CH ₂ est divis?? en un quartet avec un rapport d'intensit?? de 1: 3: 3: 1 par les trois voisins CH ₃ protons. En principe, les deux protons CH ₂ seraient ??galement divis??s ?? nouveau en un doublet pour former un doublet de quartets par le proton d'un groupe hydroxyle, mais ??change intermol??culaire du proton acide hydroxy se traduit souvent par une perte de couplage d'informations.

Couplage ?? chaque tour ?? noyaux tels que le phosphore-31 ou le fluor-19 ??uvres de cette fa??on (bien que les ordres de grandeur des constantes de couplage peuvent ??tre tr??s diff??rents). Mais les modes de fractionnement diff??rent de ceux d??crits ci-dessus pour les noyaux de spin sup??rieure ?? ?? parce que le nombre quantique de spin a plus de deux valeurs possibles. Par exemple, le couplage ?? deut??rium (un spin 1 noyau) divise le signal en un 1: 1: 1 triplet parce que le spin 1 a trois ??tats de spin. De m??me, un noyau de spin 3/2 divise un signal dans un m??lange 1: 1 quartet et ainsi de suite: 1: 1.

Accouplement combin?? avec le d??placement chimique (et l'int??gration des protons) nous apprend pas seulement de l'environnement chimique des noyaux, mais ??galement le nombre de noyaux actifs de RMN voisins au sein de la mol??cule. Dans les spectres plus complexes avec de multiples pics ?? des d??placements chimiques dans les spectres similaires ou des noyaux autres que l'hydrog??ne, le couplage est souvent la seule fa??on de distinguer les diff??rents noyaux.

Couplage de second ordre (ou fort)

La description ci-dessus suppose que la constante de couplage est faible en comparaison avec la diff??rence de fr??quences entre les spins RMN de non ??quivalents. Si la s??paration de changement diminue (ou la force de couplage augmente), les diagrammes d'intensit?? multiplet sont d'abord d??form??es, puis deviennent plus complexes et analys?? moins facilement (surtout si plus de deux tours sont impliqu??s). Intensification de quelques pics dans un multiplet est obtenue au d??triment du reste, qui parfois presque dispara??tre dans le bruit de fond, bien que la zone int??gr??e sous les pics reste constante. Dans la plupart des haut champ RMN, cependant, les distorsions sont g??n??ralement modestes et les distorsions caract??ristiques (toiture) peuvent en effet aider ?? identifier les pics connexes.

Effets de second ordre diminuent ?? mesure que la diff??rence de fr??quence entre multiplets augmente, de sorte que haut champ (ce est ?? dire ?? haute fr??quence) affichage de spectres RMN moins de distorsion que les spectres de fr??quence inf??rieure. Spectres t??t ?? 60 MHz ??taient plus sujettes ?? des distorsions de spectres de machines d'exploitation ult??rieures g??n??ralement ?? des fr??quences ?? 200 MHz ou plus.

In??quivalence magn??tique

Des effets plus subtils peuvent se produire si chimiquement ??quivalentes tours (c.-?? noyaux li??s par sym??trie et afin d'avoir la m??me fr??quence RMN) ont des relations de couplage de spins externes. Spins qui sont chimiquement ??quivalente, mais ne sont pas impossibles ?? distinguer (en fonction de leurs relations de couplage) sont appel??s magn??tiquement in??quivalentes. Par exemple, les 4 sites H de 1,2-dichlorobenz??ne diviser en deux paires chimiquement ??quivalents par sym??trie, mais un membre individuel d'une des paires comporte diff??rents raccords aux spins qui constituent l'autre paire. In??quivalence magn??tique peut conduire ?? des spectres tr??s complexe qui ne peut ??tre analys?? par mod??lisation informatique. Ces effets sont plus fr??quents dans les spectres de RMN des syst??mes non-flexibles aromatiques et autres, alors que la moyenne de conformation sur les liaisons CC dans les mol??cules flexibles tend ?? ??galiser les couplages entre protons sur des carbones adjacents, r??duire les probl??mes avec in??quivalence magn??tique.

spectroscopie de corr??lation

spectroscopie de corr??lation est l'un des plusieurs types de r??sonance magn??tique nucl??aire (RMN) bidimensionnelle ou 2D-RMN. Ce type d'exp??rience RMN est mieux connu par son acronyme, COSY. Autres types de RMN bidimensionnelle comprennent J-spectroscopie, l'??change spectroscopie (EXSY), Spectroscopie Overhauser nucl??aire d'effet (NOESY), spectroscopie de corr??lation totale (TOCSY) et des exp??riences de corr??lation h??t??ronucl??aires, comme HSQC, HMQC, et HMBC. Les spectres de RMN ?? deux dimensions fournissent des informations sur une mol??cule de spectres de RMN ?? une dimension et sont particuli??rement utiles dans la d??termination de la structure d'une mol??cule , en particulier pour des mol??cules qui sont trop compliqu??s pour fonctionner avec une dimension en utilisant la RMN. La premi??re exp??rience en deux dimensions, COSY, a ??t?? propos?? par Jean Jeener, professeur ?? l'Universit?? Libre de Bruxelles, en 1971. Cette exp??rience a ??t?? plus tard mis en ??uvre par Walter P. Aue, Enrico Bartholdi et Richard R. Ernst, qui a publi?? leur travail en 1976.

R??sonance magn??tique nucl??aire ?? l'??tat solide

Une vari??t?? de circonstances physiques ne permettent pas de mol??cules ?? ??tudier en solution, et en m??me temps non par d'autres techniques spectroscopiques ?? un niveau atomique, soit. En milieu en phase solide, tels que des cristaux, des poudres microcristallines, des gels, des solutions anisotropes, etc., il est en particulier le couplage dipolaire et anisotropie d??calage chimique qui devient dominant pour le comportement des syst??mes de spins nucl??aires. En spectroscopie RMN classique ??tat de solution, ces interactions suppl??mentaires conduiraient ?? un ??largissement significatif de lignes spectrales. Une vari??t?? de techniques permet d'??tablir des conditions ?? haute r??solution, qui peut, au moins pour les ¹³ C spectres, ??tre comparables aux spectres RMN de l'??tat de solution.

Deux concepts importants ?? haute r??solution pour la spectroscopie RMN ?? l'??tat solide sont la limitation de la possible orientation mol??culaire par l'orientation de l'??chantillon, et la r??duction des interactions magn??tiques nucl??aires anisotropes par exemple la filature. De cette derni??re approche, tourne tr??s vite autour de la angle magique est une m??thode tr??s importante, lorsque le syst??me comprend spin 1/2 noyaux. Un certain nombre de techniques interm??diaires, avec des ??chantillons d'alignement partiel ou ?? mobilit?? r??duite, est actuellement utilis?? dans la spectroscopie RMN.

Applications dans lesquelles l'??tat solide effets RMN se produisent sont souvent li??es ?? la structure des enqu??tes sur les prot??ines membranaires, fibrilles de prot??ines ou de toutes sortes de polym??res, et l'analyse chimique en chimie inorganique, mais aussi inclure des applications ??exotiques?? comme les feuilles des plantes et des piles ?? combustible.

Spectroscopie RMN biomol??culaire

Prot??ines

Une grande partie de l'innovation au sein de la spectroscopie RMN a ??t?? dans le domaine des prot??ines Spectroscopie RMN, une technique importante dans la biologie structurale. Un objectif commun de ces enqu??tes est d'obtenir haute r??solution structures en 3 dimensions de la prot??ine, similaires ?? ce qui peut ??tre atteint par Cristallographie aux rayons X. Contrairement ?? la cristallographie aux rayons X, la spectroscopie de RMN est habituellement limit??e ?? des prot??ines plus petites que 35 kDa, bien que de plus grandes structures ont ??t?? r??solus. Spectroscopie RMN est souvent le seul moyen d'obtenir des informations de haute r??solution sur partiellement ou totalement prot??ines intrins??quement non structur??es. Ce est maintenant un outil commun pour la d??termination de Les relations conformation d'activit?? o?? la structure avant et apr??s interaction avec, par exemple, un m??dicament candidat est compar??e ?? l'activit?? biochimique connue. Les prot??ines sont ordres de grandeur plus grand que les petites mol??cules organiques ??voqu??s plus haut dans cet article, mais les techniques de base de RMN et certains de la th??orie se applique ??galement RMN. En raison du nombre beaucoup plus ??lev?? d'atomes pr??sents dans une mol??cule de prot??ine par rapport ?? un petit compos?? organique, les spectres 1D encombr?? de base deviennent des signaux qui se chevauchent dans une mesure o?? l'analyse de spectres directe devient inacceptable. Par cons??quent, les exp??riences multidimensionnelles (2, 3 ou 4D) ont ??t?? con??us pour faire face ?? ce probl??me. Pour faciliter ces exp??riences, il est souhaitable d' isotopes ??tiqueter la prot??ine avec ¹³ C et ¹⁵ N, car le pr??dominant isotope naturel ¹² C ne est pas actif en RMN, alors que le moment quadrupolaire nucl??aire du ¹⁴ N isotope pr??dominant naturellement emp??che informations de haute r??solution ?? obtenir ?? partir de cet isotope d'azote. La m??thode la plus importante utilis??e pour la d??termination de structure des prot??ines Utilise Exp??riences NOE pour mesurer les distances entre les paires d'atomes dans la mol??cule. Par la suite, les distances obtenues sont utilis??es pour g??n??rer une structure 3D de la mol??cule par la r??solution d'un probl??me de g??om??trie ?? distance.

Acides nucl??iques

??Acide nucl??ique RMN" est l'utilisation de la spectroscopie RMN pour obtenir des informations sur la structure et la dynamique de poly des acides nucl??iques tels que l'ADN ou ARN. En 2003, pr??s de la moiti?? de toutes les structures d'ARN connus avait ??t?? d??termin??e par spectroscopie RMN.

L'acide nucl??ique et la spectroscopie de RMN des prot??ines sont similaires, mais des diff??rences existent. Les acides nucl??iques ont un pourcentage plus faible d'atomes d'hydrog??ne, les atomes qui sont g??n??ralement observ??s en spectroscopie RMN, et que acides nucl??iques doubles h??lices sont raides et ?? peu pr??s lin??aire, ils ne se replient sur eux-m??mes pour donner corr??lations "longue port??e". Les types de RMN g??n??ralement fait avec des acides nucl??iques sont ¹ H RMN du proton ou, ¹³ C-RMN, RMN ¹⁵ N, et ³¹ P RMN. Bidimensionnelle m??thodes de RMN sont presque toujours utilis??s, tels que la spectroscopie de corr??lation (COSY) et la spectroscopie de transfert de coh??rence totale (TOCSY) afin de d??tecter les raccords traversants nucl??aires liaison, et spectroscopie nucl??aire ?? effet de Overhauser (NOESY) pour d??tecter des couplages entre noyaux qui sont proches les uns des autres dans l'espace.

Param??tres prises ?? partir du spectre, cross-essentiellement de pics NOESY et les constantes de couplage, peuvent ??tre utilis??s pour d??terminer les caract??ristiques structurales locales telles que angles de liaison glycosidique, angles di??dres (en utilisant le ??quation Karplus) et plisser de sucre conformations. Pour la structure ?? grande ??chelle, ces param??tres locaux doivent ??tre compl??t??es par d'autres hypoth??ses ou des mod??les structurels, car les erreurs ajouter que la double h??lice est travers??e, et contrairement aux prot??ines, la double h??lice ne ont pas un int??rieur compact et ne se replie pas en arri??re sur lui-m??me. RMN est ??galement utile pour enqu??ter sur des g??om??tries non standard tels que h??lices pli??es, non-appariement de bases de Watson-Crick, et empilement coaxial. Il a ??t?? particuli??rement utile pour sonder la structure des oligonucleotides d'ARN naturels, qui ont tendance ?? adopter des conformations complexes tels que souches boucles et pseudonoeuds. RMN est ??galement utile pour sonder la liaison de mol??cules d'acide nucl??ique avec d'autres mol??cules, telles que des prot??ines ou des drogues, en voyant les r??sonances qui sont d??cal??es sur la liaison de l'autre mol??cule.

Glucides

Spectroscopie RMN glucides aborde les questions concernant la structure et la conformation des hydrates de carbone .