Développement de la RMN encodée spatialement par gradient : vers une nouvelle génération d’expériences de corrélation. – gNMR

D’une part, nous développons un programme de simulation d’expériences RMN sous encodage spatial qui nous permet de décrire formellement le concept d'encodage spatial d'un échantillon par un gradient de champ magnétique. L'analyse semi-symbolique de l'action d'une séquence d'impulsions sur un système de spin donné nous permet d'autre part d'optimiser les séquences mettant en oeuvre ce type d'encodage, et également de développer de nouvelles expériences de corrélation. Les séquences obtenues sont d’autre part appliquées à des systèmes moléculaires dont l’analyse est difficile en l’état actuel de l’art (détermination d’excès énantiomérique …). Enfin, nous explorons deux techniques pour améliorer la sensibilité de nos expériences qui représente le principal facteur limitant leur utilisation.

Nous avons développé une séquence RMN basée sur un encodage de l’échantillon selon deux directions de l’espace, qui permet l’attribution directe de l’ensemble des interactions entre protons d’une molécule en un seul spectre. Cette approche permet de combiner les évolutions du système de spins de manière à maîtriser la structure fine des corrélations générées sur la carte 2D. Le réseau de protons apparaît sous la forme d’une série de multiplets simples directement analysables.
Nous avons également écrit un programme de simulation de séquences d’impulsions permettant une analyse semi-symbolique des cohérences générées par l'action de la séquence sur un système de spin d'intérêt. Ce programme, qui permet une visualisation des spectres simulés directement dans le logiciel de pilotage du spectromètre pour une comparaison à l'expérience, permet pour l'instant l'étude de systèmes de spins protons correspondant à de petites molécules organiques qui sont typiquement utilisées comme modèles pour le développement de séquences.

La perspective principale ouverte par ce projet est l’amélioration de la résolution des spectres de corrélation en RMN, et la simplification de leur contenu analytique de manière à accélérer in fine les protocoles d’analyse de molécules présentant des systèmes de spins complètement couplés.

Giraud, N., Pitoux, D., Ouvrard, J.M. & Merlet, D., Combining J-edited and Correlation Spectroscopies Within a Multi-Dimensional Spatial Frequency Encoding: Toward Fully Resolved 1H NMR Spectra, Chemistry –A European Journal, 19: 12221-12224 (2013)

La spectroscopie de Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) constitue un outil unique pour la caractérisation de la structure et de la dynamique d’une large palette d’assemblages moléculaires. Les développements méthodologiques qui ont été effectués de manière continue, associés aux avancées accomplies dans le domaine des sondes et des spectromètres ont conduit à l’établissement d’une grande variété d’expériences de haute résolution qui ont ouvert la voie à la mesure précise d’un grand nombre d’interactions de spin. Ces observables sont particulièrement utiles pour contraindre les simulations les plus sophistiquées, qui permettent de décrire des entités et des processus chimiques complexes, à l’échelle atomique.
Malheureusement, dans la plupart des systèmes qui intéressent la communauté scientifique de nos jours, la taille ou la complexité des architectures moléculaires qui sont sondées conduisent souvent à l’obtention de spectres surchargés, dont la résolution devient alors trop basse pour donner accès à tout son contenu analytique. Ni l’utilisation de spectromètres opérant à très haut champ, ni le développement de séquences combinant des impulsions sélectives ou non ne permettent de complètement résoudre ce problème.
Dans ce contexte, nous avons récemment proposé de développer un concept original qui consiste en l’acquisition parallèle de différentes expériences, tout en utilisant une seule et même bobine de détection. Nous avons montré avec succès que cette approche pouvait être appliquée pour faire évoluer différents échos de spin sélectifs en différents endroits de l’échantillon RMN, ce qui a conduit à une édition complète du réseau de couplages spin-spin agissant autour d’un noyau sélectionné.
Afin de prolonger ces résultats encourageants, ce projet de recherche vise à fournir au spectroscopiste RMN une nouvelle génération d’expériences de corrélation basée sur la mise en œuvre d’un encodage spatial d’échantillon. Premièrement, des programmes de simulations seront développés, qui auront pour objectif une évaluation du signal RMN, basée sur un calcul analytique de l’évolution des cohérences de spin résultant de l’application d’une séquence d’impulsions encodées par un gradient. Deuxièmement, en tirant parti notamment de cet outil théorique, nous nous concentrerons alors sur le développement méthodologique de nouvelles techniques haute résolution de corrélation qui s’inspireront de ce concept d’encodage spatial en fréquence de l’échantillon. Troisièmement, étant donné que cette spectroscopie avec encodage par gradient est intrinsèquement moins sensible que les autres expériences classiques en RMN, nous explorerons deux techniques qui constituent des alternatives crédibles pour améliorer la sensibilité de nos expériences. Parmi celles-ci, nous étudierons notamment dans quelle mesure le para-hydrogène peut être utilisé comme agent de polarisation dans nos dispositifs expérimentaux. Notre but ultime sera d’appliquer les expériences de haute résolution qui seront ainsi créées à l’étude de systèmes réputés difficiles à analyser à l’heure actuelle. Ces séquences seront d’abord incorporées dans un protocole d’analyse structurale qui sera employé pour déterminer la stéréochimie d’oligosaccharides synthétiques. Ensuite, nous évaluerons la capacité des expériences de refocalisation sélective encodées par gradient (G-SERF) à simplifier la visualisation énantiomérique, dans le cas de mélanges d’énantiomères dissous dans un solvant de type cristal liquide chiral. Enfin, nous nous concentrerons sur la question de la quantitativité de ces expériences (qui est un aspect essentiel en chimie analytique) dans le contexte d’une détermination précise d’excès énantiomérique.