Спектроскопия ядерного магнитного резонанса на азоте-15. Nitrogen-15 nuclear magnetic resonance spectroscopy

Азот-15 спектроскопия ядерного магнитного резонанса ( азот-15 ЯМР - спектроскопии , или просто 15 Н - ЯМР ) представляет собой версию спектроскопии ядерного магнитного резонанса , который исследует образцы , содержащие 15 ядро N. 15 N ЯМР несколько отличается от более распространенных 13 C и 1 H ЯМР. Чтобы снять ограничение спина 1, обнаруженного в 14 N, в образцах для обнаружения используется 15 N ЯМР, поскольку он имеет спин в основном состоянии 1/2. Поскольку содержание 14 N составляет 99,64%, включение 15 N в образцы часто требует новых синтетических методов.

Азот-15 часто используется в спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР), потому что в отличие от более распространенного азота-14, который имеет целочисленный ядерный спин и, следовательно, квадрупольный момент, 15 Н имеет дробный ядерный спин, равный половине, что дает преимущества для ЯМР, такие как более узкая ширина линии. Белки могут быть помечены изотопами, выращивая их в среде, содержащей азот-15 в качестве единственного источника азота. Кроме того, азот-15 используется для мечения белков в количественной протеомике (например, SILAC ).

Выполнение

15 N ЯМР имеет осложнения, не встречающиеся в спектроскопии ЯМР 1 H и 13 C. Естественное содержание 15 N в 0,36% приводит к значительному снижению чувствительности. Чувствительность усугубляется его низка гиромагнитного отношения (γ = -27,126 × 10 6 Т -1 с -1 ), который является 10,14% , что на 1 Н. отношение сигнал-шум для 1 H составляет около 300 раз больше , чем 15 N в том же магнитном поле.

Физические свойства

Физические свойства 15 N сильно отличаются от других ядер. Его свойства вместе с несколькими распространенными ядрами приведены в таблице ниже.

Изотоп Магнитный дипольный
момент ( μ Н )

Число ядерных спинов
Естественное
изобилие (%)
Гиромагнитное отношение
(10 6 рад с −1 T −1 )
Частота ЯМР
при 11,7 Тл (МГц)
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 млрд 1,80064478 (6) 3 19,9 28,747 -53,718
11 млрд 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 O -1,89379 (9) 5/2 0,04 -36,281 67,782
19 F 2,628868 (8) 1/2 ~ 100 251,815 -470,47
31 P 1,13160 (3) 1/2 ~ 100 108,394 -202.606

Тенденции химического сдвига

Типичные значения химического сдвига (δ) 15 Н для обычных органических групп, где жидкий аммиак под давлением является стандартом, а химический сдвиг составляет 0 ppm.

Международный союз теоретической и прикладной химии (ИЮПАК) рекомендует использовать CH 3 NO 2 в качестве экспериментального стандарта; однако на практике многие спектроскописты вместо этого используют сжатый NH 3 (l). Для 15 N химические сдвиги, относящиеся к NH 3 (l), составляют 380,5 частей на миллион в более сильном поле по сравнению с CH 3 NO 2NH3 = δ CH3NO2 + 380,5 частей на миллион). Химические сдвиги для 15 N несколько непостоянны, но обычно они находятся в диапазоне от -400 до 1100 частей на миллион по отношению к CH 3 NO 2 . Ниже приводится сводка химических сдвигов 15 N для обычных органических групп, относящихся к NH 3 , химическому сдвигу которого присвоено значение 0 ppm.

Гиромагнитное соотношение

Знак гиромагнитного отношения γ определяет смысл прецессии. Считается, что ядра, такие как 1 H и 13 C, прецессируются по часовой стрелке, тогда как ядра 15 N имеют прецессию против часовой стрелки.

В отличие от большинства ядер, гиромагнитное отношение для 15 Н отрицательно. В случае явления прецессии спина знак γ определяет направление прецессии (по часовой стрелке или против часовой стрелки). Наиболее распространенные ядра имеют положительные гиромагнитные отношения, такие как 1 H и 13 C.

Приложения

Таутомеризация

Пример 15. Химические сдвиги N для таутомеров, подвергающихся таутомеризации.

15 N ЯМР используется в широком спектре областей от биологических до неорганических методов. Известным применением в органическом синтезе является использование 15 N для мониторинга равновесия таутомеризации в гетероароматических соединениях из-за резкого изменения сдвигов 15 N между таутомерами.

ЯМР белков

Пути поляризации ssNMR для экспериментов NCACX, NCOCX и CANcoCX соответственно. В каждом случае все атомы углерода и азота либо однородно, либо частично изотопно мечены 13 C и 15 N.

15 N ЯМР также чрезвычайно ценен в исследованиях ЯМР белков. В частности, введение трехмерных экспериментов с 15 N снимает двусмысленность в двумерных экспериментах с 13 C – 13 C. В твердотельном ядерном магнитном резонансе (SSNMR), например, 15 Н наиболее часто используются в импульсных последовательностях NCACX, NCOCX и CANcoCX.

Исследование азотсодержащих гетероциклов.

15 N ЯМР - наиболее эффективный метод исследования структуры гетероциклов с высоким содержанием атомов азота (тетразолов, триазинов и их аннелированных аналогов). Мечение 15 N с последующим анализом сочетаний 13 C– 15 N и 1 H– 15 N может быть использовано для установления структур и химических превращений азотных гетероциклов.

INEPT

Графическое представление последовательности импульсов ЯМР INEPT. INEPT часто используется для улучшения разрешения 15 Н, поскольку он может учитывать отрицательные гиромагнитные отношения, увеличивает поляризацию Больцмана и уменьшает релаксацию T 1 .

Нечувствительные ядра, усиленные передачей поляризации (INEPT), представляют собой метод повышения разрешения сигнала. Поскольку 15 Н имеет гиромагнитное отношение, которое мало по величине, разрешение довольно низкое. Обычной последовательностью импульсов, которая значительно улучшает разрешение для 15 Н, является INEPT. INEPT - это элегантное решение в большинстве случаев, поскольку оно увеличивает поляризацию Больцмана и снижает значения T 1 (таким образом, сканирование короче). Кроме того, INEPT может учитывать отрицательные гиромагнитные отношения, тогда как обычный ядерный эффект Оверхаузера (NOE) не может.

Смотрите также

Рекомендации