Спектроскопия ядерного магнитного резонанса азота-15
Спектроскопия ядерного магнитного резонанса азота-15 ( спектроскопия ЯМР азота-15 или просто ЯМР 15 N ) — это версия спектроскопии ядерного магнитного резонанса , которая исследует образцы, содержащие ядро 15 N. [1] [2] ЯМР 15 N отличается несколькими способами от более распространенных ЯМР 13 C и 1 H. Чтобы обойти трудности, связанные с измерением квадрупольного, спин-1 нуклида 14 N, ЯМР 15 N используется в образцах для обнаружения, поскольку он имеет спин в основном состоянии ½. Поскольку 14 N распространен на 99,64%, включение 15 N в образцы часто требует новых синтетических методов. [3]
Азот-15 часто используется в спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР), поскольку в отличие от более распространенного азота-14, имеющего целый ядерный спин и, следовательно, квадрупольный момент, 15N имеет дробный ядерный спин, равный половине, что дает такие преимущества для ЯМР, как более узкая ширина линии. Белки можно изотопно пометить, выращивая их в среде, содержащей азот-15 в качестве единственного источника азота. Кроме того, азот-15 используется для маркировки белков в количественной протеомике (например, SILAC ).
Выполнение
15 N ЯМР имеет осложнения, не встречающиеся в спектроскопии 1 H и 13 C ЯМР. 0,36% естественного содержания 15 N приводит к значительному снижению чувствительности. Чувствительность ухудшается из-за его низкого гиромагнитного отношения (γ = −27,126 × 10 6 T −1 s −1 ), что составляет 10,14% от 1 H. Отношение сигнал/шум для 1 H примерно в 300 раз больше, чем для 15 N при той же напряженности магнитного поля. [4]
Физические свойства
Физические свойства 15 N существенно отличаются от свойств других ядер. Его свойства вместе с несколькими распространенными ядрами суммированы в таблице ниже.
| Изотоп [5] | Магнитный дипольный момент ( μ Н ) [4] | Число ядерного спина [4] | Естественное изобилие (%) [4] | Гиромагнитное отношение (10 6 рад с −1 Тл −1 ) [4] | Частота ЯМР 11,7Т (МГц) [4] |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 ч. | 2.79284734(3) | 1/2 | ~100 | 267.522 | -500 |
| 2 ч. | 0,857438228(9) | 1 | 0,015 | 41.066 | -76.753 |
| 3 ч. | 2.97896244(4) | 1/2 | 0 | 285.349 | -533.32 |
| 10 Б | 1.80064478(6) | 3 | 19.9 | 28.747 | -53.718 |
| 11 Б | 2.6886489 | 3/2 | 80.1 | 85.847 | -160,42 |
| 13 С | 0,7024118(14) | 1/2 | 1.1 | 67.238 | -125.725 |
| 14 с.ш. | 0,40376100(6) | 1 | 99,6 | 19.338 | -36.132 |
| 15 с.ш. | -0,28318884(5) | 1/2 | 0,37 | -27.126 | 50.782 |
| 17 О | -1,89379(9) | 5/2 | 0,04 | -36.281 | 67.782 |
| 19 Ф | 2.628868(8) | 1/2 | ~100 | 251.815 | -470,47 |
| 31 П | 1.13160(3) | 1/2 | ~100 | 108.394 | -202.606 |
Из этих данных видно, что при полном обогащении 15N примерно в десять раз менее чувствителен, чем 1H (-27,126/267,522 ) .
Тенденции химического сдвига
Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) рекомендует использовать CH 3 NO 2 в качестве экспериментального стандарта; однако на практике многие спектроскописты используют вместо этого сжатый NH 3 (l). Для 15 N химические сдвиги, относящиеся к NH 3 (l), составляют 380,5 ppm в сторону сильного поля от CH 3 NO 2 (δ NH 3 = δ CH 3 NO 2 + 380,5 ppm). Химические сдвиги для 15 N несколько нестабильны, но обычно они охватывают диапазон от -400 ppm до 1100 ppm относительно CH 3 NO 2 . Ниже приведена сводка химических сдвигов 15 N для обычных органических групп, относящихся к NH 3 , чей химический сдвиг назначен 0 ppm. [6] [2]
Гиромагнитное отношение
В отличие от большинства ядер, гиромагнитное отношение для 15 N отрицательно. При явлении прецессии спина знак γ определяет направление (по часовой стрелке или против часовой стрелки) прецессии. Наиболее распространенные ядра имеют положительные гиромагнитные отношения, такие как 1 H и 13 C. [3] [4]
Приложения
Таутомеризация
15 N ЯМР используется в широком спектре областей от биологических до неорганических методов. Известное применение в органическом синтезе — это использование 15 N для мониторинга равновесий таутомеризации в гетероароматических соединениях из-за резкого изменения сдвигов 15 N между таутомерами. [1]
ЯМР-спектр белков
15 N NMR также чрезвычайно ценен в исследованиях ЯМР белков. В частности, введение трехмерных экспериментов с 15 N устраняет неоднозначность в двумерных экспериментах 13 C– 13 C. Например, в твердотельном ядерном магнитном резонансе (ssNMR) 15 N чаще всего используется в импульсных последовательностях NCACX, NCOCX и CANcoCX.
Исследование азотсодержащих гетероциклов
15 N ЯМР является наиболее эффективным методом исследования структуры гетероциклов с высоким содержанием атомов азота (тетразолы, триазины и их аннелированные аналоги). [7] [8] 15 N маркировка с последующим анализом связей 13 C– 15 N и 1 H– 15 N может быть использована для установления структур и химических превращений азотсодержащих гетероциклов. [9]
НЕПОДХОДЯЩИЙ
Нечувствительные ядра, улучшенные переносом поляризации (INEPT) — это метод улучшения разрешения сигнала. Поскольку 15 N имеет гиромагнитное отношение, которое мало по величине, разрешение довольно плохое. Распространенная последовательность импульсов, которая значительно улучшает разрешение для 15 N, — это INEPT. INEPT — это элегантное решение в большинстве случаев, поскольку он увеличивает поляризацию Больцмана и снижает значения T 1 (таким образом, сканы становятся короче). Кроме того, INEPT может учитывать отрицательные гиромагнитные отношения, тогда как распространенный ядерный эффект Оверхаузера (NOE) не может.
Смотрите также
- Гетероядерная одноквантовая когерентная спектроскопия (HSQC)
- Двумерная спектроскопия ядерного магнитного резонанса
- Спектроскопия ядерного магнитного резонанса с тройным резонансом
Ссылки
- ^ ab Witanowski, M (1974). «Спектроскопия ЯМР азота». Чистая и прикладная химия. 37, стр. 225-233. doi :10.1351/pac197437010225
- ^ ab JH Nelson (2003). Спектроскопия ядерного магнитного резонанса . Prentice-Hall. ISBN 978-0130334510.
- ^ abcd MH Levitt (2008). Spin Dynamics . John Wiley & Sons Ltd. ISBN 978-0470511176.
- ^ abcdefgh Артур Г. Палмер (2007). Спектроскопия ЯМР белков . Elsevier Academic Press. ISBN 978-0121644918.
- ^ Стоун, Николас Дж (2005). "Таблица ядерных магнитных дипольных и электрических квадрупольных моментов". Atomic Data and Nuclear Data Tables. 90 (1), стр. 75-176. doi :10.1016/j.adt.2005.04.001
- ^ abc Mooney, EF; Winson, PH (1969). «Азотная магнитно-резонансная спектроскопия». Ежегодные отчеты по ЯМР-спектроскопии (2), стр. 125-152. doi :10.1016/S0066-4103(08)60321-X
- ^ Шестакова, Татьяна С.; Шенкарев, Захар О.; Деев, Сергей Л.; Чупахин, Олег Н.; Халымбаджа, Игорь А.; Русинов, Владимир Л.; Арсеньев, Александр С. (2013-06-27). "Дальнодействующие 1H–15N J связи, обеспечивающие метод прямого изучения структуры и равновесия азида и тетразола в ряду азидо-1,2,4-триазинов и азидопиримидинов" (PDF) . Журнал органической химии . 78 (14): 6975– 6982. doi :10.1021/jo4008207. hdl : 10995/27205 . ISSN 0022-3263. PMID 23751069.
- ^ Деев, Сергей Л; Парамонов, Александр С; Шестакова Татьяна С; Халымбаджа Игорь А; Чупахин Олег Н; Субботина Юлия О; Ельцов Олег С; Слепухин Павел А; Русинов, Владимир Л (29 ноября 2017 г.). «15N-Мечение и определение структуры адамантилированных азолоазинов в растворе». Журнал органической химии Байльштейна . 13 (1): 2535–2548 . doi : 10.3762/bjoc.13.250. ISSN 1860-5397. ПМЦ 5727827 . ПМИД 29259663.
- ^ Деев, Сергей Л.; Халымбаджа, Игорь А.; Шестакова, Татьяна С.; Чарушин, Валерий Н.; Чупахин, Олег Н. (2019-08-23). "15 N маркировка и анализ связей 13C–15N и 1H–15N в исследованиях структур и химических превращений азотсодержащих гетероциклов". RSC Advances . 9 (46): 26856– 26879. Bibcode :2019RSCAd...926856D. doi : 10.1039/C9RA04825A . ISSN 2046-2069. PMC 9070671 . PMID 35528595.
