Dans cet article de blog, j'expliquerai en termes simples comment la RMN permet de déterminer l'ordre et la manière dont les atomes sont liés au sein d'un composé.

Pourquoi est-il important de connaître l'ordre des liaisons atomiques ?

Tout comme la blague enfantine « Qu'obtient-on en coupant une fourmi en trois ? » — qui nous fait rire —, les questions relatives à la composition de la matière sont bien plus sérieuses et importantes en chimie. Si l'on demandait quels atomes résultent de la séparation d'une molécule d'eau en deux, la plupart des gens répondraient hydrogène et oxygène. De même, le dioxyde de carbone est composé de carbone et d'oxygène. Autrement dit, les composés sont constitués d'atomes comme unités de base, et il était relativement facile de déterminer les éléments présents grâce à des méthodes analytiques classiques telles que la combustion.
Cependant, la simple connaissance des éléments présents ne suffit pas. En effet, des atomes identiques peuvent présenter des propriétés totalement différentes selon l'ordre et la nature de leurs liaisons. Par exemple, l'acétone et le propanol, qui ont la même formule moléculaire (C₃H₈O), sont utilisés à des fins différentes. Par conséquent, en chimie, il est devenu essentiel d'aller au-delà de la simple question « De quoi est-ce fait ? » et de s'intéresser à la manière dont les atomes sont liés. Des méthodes permettant de clarifier cet ordre de liaison et cette structure sont donc devenues indispensables.
Pour reprendre l'exemple de l'eau, il est difficile de déterminer à l'œil nu ou par simple manipulation si elle est de formule brute HOH ou HHO (bien qu'il s'agisse en réalité de HOH). Les techniques permettant de déterminer l'ordre des liaisons et la présence d'atomes voisins sont fondamentales et essentielles à la compréhension des propriétés et des fonctions des molécules. La RMN est l'une des méthodes analytiques les plus utilisées pour résoudre ces problèmes.

Principes, applications et limites de la RMN

RMN signifie « résonance magnétique nucléaire ». Si le nom peut paraître complexe, le concept est simple. Lorsqu'un champ magnétique externe est appliqué au spin (une propriété intrinsèque des noyaux atomiques), ces derniers s'alignent dans une direction spécifique. Si de l'énergie est ensuite fournie, certains noyaux l'absorbent et changent d'état. L'énergie absorbée varie légèrement selon le type de noyau et son environnement au sein de la molécule, c'est-à-dire la présence et la position des atomes environnants. La RMN mesure ces infimes différences d'énergie pour déterminer l'arrangement des atomes et identifier les atomes voisins.
Pour expliquer cela plus en détail, les noyaux atomiques tendent à aligner leurs spins dans la direction opposée à celle du champ magnétique externe, et cet alignement génère un champ magnétique. Le champ magnétique induit par les noyaux agit dans une direction qui affaiblit le champ magnétique externe ; ce principe est similaire à la tendance d'un élastique à se contracter lorsqu'on l'étire. Lorsque des niveaux d'énergie spécifiques sont appliqués séquentiellement aux noyaux dans leur état d'alignement induit par le champ magnétique externe, chaque noyau atomique absorbe l'énergie correspondant à sa propre fréquence, provoquant une résonance. Des informations structurelles sur l'intérieur de la molécule sont ainsi obtenues.
Bien que la RMN soit classée en différents types selon le nucléide cible, les méthodes les plus couramment utilisées pour élucider les structures de liaison sont la RMN du proton (spectroscopie du noyau d'hydrogène) et la RMN du carbone 13 (spectroscopie de l'isotope de carbone 13). La RMN du proton révèle la position des atomes d'hydrogène au sein d'une molécule et les atomes auxquels ils sont liés. La RMN du carbone 13 est utilisée pour déterminer l'environnement des atomes de carbone.
Cela peut soulever la question suivante : pourquoi des atomes comme l’oxygène ne peuvent-ils pas être utilisés en analyse RMN ? La raison est que tous les noyaux atomiques ne possèdent pas le « spin » nécessaire à la RMN. Les nucléides de numéro atomique et de masse pairs ont souvent un spin nucléaire de 0 ; dépourvus de propriétés magnétiques, ils ne produisent donc pas de signal RMN. Par exemple, le carbone 12 commun ne pouvant être observé directement, on utilise à sa place l’isotope carbone 13, présent en infimes quantités dans la nature. À l’inverse, l’hydrogène possède un spin nucléaire et est abondant, ce qui fait de la RMN du proton la technique la plus couramment utilisée.
Le champ d'application de la RMN est très vaste. On peut obtenir des informations structurales par RMN pour une grande variété de molécules, des petites molécules organiques aux polymères et aux grandes biomolécules telles que les protéines. Puisque les éléments constitutifs principaux des biomolécules se limitent à l'hydrogène, au carbone, à l'oxygène et à l'azote, la détermination des liaisons entre ces atomes par RMN est extrêmement utile pour élucider la structure tridimensionnelle et la fonction des protéines.
De plus, le principe de la RMN est également au cœur de l'IRM (imagerie par résonance magnétique), une technique d'imagerie médicale. Utilisée dans les hôpitaux, l'IRM applique le principe de la RMN aux atomes d'hydrogène présents dans le corps humain (principalement l'hydrogène provenant de l'eau et des graisses) pour visualiser les structures tissulaires. Contrairement aux rayons X, elle n'utilise pas de rayonnements puissants, la rendant inoffensive pour le corps humain. Par ailleurs, comme le corps humain est majoritairement composé d'hydrogène, des images très détaillées peuvent être obtenues.
Bien sûr, la RMN a ses limites. Comme mentionné précédemment, tous les atomes ne se prêtent pas à l'observation par RMN, et certains éléments sont difficiles à observer directement. Cependant, utilisée conjointement avec d'autres méthodes analytiques, telles que la spectrométrie de masse (SM) et la spectroscopie infrarouge (IR), la RMN peut fournir des informations complémentaires sur des atomes autres que l'hydrogène et le carbone. Grâce à cette combinaison de techniques, il est extrêmement rare, en chimie moderne, de rencontrer un cas où la structure d'une molécule ne peut être déterminée.
En conclusion, la RMN est l'un des outils les plus fondamentaux et les plus puissants pour l'élucidation de composés inconnus. De la découverte historique de l'analyse des molécules d'eau pour déterminer la nature des liaisons hydrogène-oxygène, jusqu'à la détermination de la structure des protéines et l'imagerie médicale actuelles, la RMN a toujours été une fenêtre ouverte sur le monde moléculaire. Avec le développement continu des techniques analytiques, nous pourrions un jour avoir besoin d'informations si sophistiquées que répondre à une question simple comme « Que se passe-t-il lorsqu'on dissocie l'eau ? » nécessiterait une explication s'étalant sur plusieurs pages. Même alors, la RMN restera un outil fondamental.