Спектроскопия ядерного магнитного резонанса азота-15

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса азота-15 ( ЯМР-спектроскопия азота-15 , или просто ¹⁵N NMR ) — вариант спектроскопии ядерного магнитного резонанса , который исследует образцы, содержащие ¹⁵Ядро Н. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]} ¹⁵N-ЯМР во многом отличается от более распространенного ¹³С и ¹Н ЯМР. Чтобы обойти трудности, связанные с измерением квадруполярного, спина-1 ¹⁴нуклид N, ¹⁵N-ЯМР используется в образцах для обнаружения, поскольку он имеет спин в основном состоянии ½. С ¹⁴Содержание N составляет 99,64%, включение ¹⁵Преобразование 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, который имеет целочисленный ядерный спин и, следовательно, квадрупольный момент, ¹⁵N имеет дробный ядерный спин, равный половине, что дает преимущества для ЯМР, такие как более узкая ширина линии. Белки можно пометить изотопами, культивируя 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

¹⁵N-ЯМР имеет осложнения, не встречающиеся при ¹Рука ¹³Спектроскопия ЯМР 1С. 0,36% естественной численности ¹⁵N приводит к значительному снижению чувствительности. Чувствительность ухудшается из-за низкого гиромагнитного отношения (γ = −27,126 × 10 ⁶ Т ⁻¹с ⁻¹), что составляет 10,14% от ¹H. Отношение сигнал/шум для ¹H примерно в 300 раз больше, чем ¹⁵N при той же напряженности магнитного поля. ^{[ 4 ]}

Физические свойства

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

Изотоп ^{[ 5 ]}	Магнитный диполь момент ( мкм _Н ) ^{[ 4 ]}	Ядерный спин число ^{[ 4 ]}	Естественный избыток (%) ^{[ 4 ]}	Гиромагнитное соотношение (10 ⁶ рад с ⁻¹ Т ⁻¹) ^{[ 4 ]}	Частота ЯМР на частоте 11,7T (МГц) ^{[ 4 ]}
¹ЧАС	2.79284734(3)	1/2	~100	267.522	-500
²ЧАС	0.857438228(9)	1	0.015	41.066	-76.753
³ЧАС	2.97896244(4)	1/2	0	285.349	-533.32
¹⁰Б	1.80064478(6)	3	19.9	28.747	-53.718
¹¹Б	2.6886489	3/2	80.1	85.847	-160.42
¹³С	0.7024118(14)	1/2	1.1	67.238	-125.725
¹⁴Н	0.40376100(6)	1	99.6	19.338	-36.132
¹⁵Н	-0.28318884(5)	1/2	0.37	-27.126	50.782
¹⁷ТО	-1.89379(9)	5/2	0.04	-36.281	67.782
¹⁹Ф	2.628868(8)	1/2	~100	251.815	-470.47
³¹П	1.13160(3)	1/2	~100	108.394	-202.606

Из этих данных видно, что при полном обогащении ¹⁵N составляет примерно одну десятую (-27,126/267,522) чувствительности, ¹ЧАС.

Тенденции химических сдвигов

Международный союз теоретической и прикладной химии (IUPAC) рекомендует использовать CH ₃ NO ₂ в качестве экспериментального стандарта; однако на практике многие спектроскописты вместо этого используют сжатый NH ₃ (l). Для ¹⁵N, химические сдвиги, отнесенные к NH ₃ (l), составляют 380,5 м.д. в сильном поле от CH ₃ NO ₂ (δ _{NH ₃} = δ _{CH ₃ NO ₂} + 380,5 м.д.). Химические сдвиги для ¹⁵Содержание N несколько нестабильно, но обычно оно находится в диапазоне от -400 ppm до 1100 ppm по отношению к CH ₃ NO ₂ . Ниже приводится краткое изложение ¹⁵Химические сдвиги N для обычных органических групп относятся к NH ₃ , чей химический сдвиг равен 0 ppm. ^{[ 6 ]}^{[ 2 ]}

Гиромагнитное соотношение

В отличие от большинства ядер, гиромагнитное отношение для ¹⁵Н отрицательный. В явлении прецессии спина знак γ определяет направление прецессии (по часовой стрелке или против часовой стрелки). Большинство распространенных ядер имеют положительные гиромагнитные отношения, такие как ¹Рука ¹³С. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]}

Приложения

Таутомеризация

¹⁵N-ЯМР используется в самых разных областях: от биологических до неорганических методов. Известным применением в органическом синтезе является использование ¹⁵N для мониторинга равновесия таутомеризации в гетероароматических соединениях из-за резкого изменения ¹⁵N перемещается между таутомерами. ^{[ 1 ]}

ЯМР белков

¹⁵N-ЯМР также чрезвычайно ценен при исследованиях ЯМР белков. В частности, введение трехмерных экспериментов с ¹⁵N устраняет двусмысленность в ¹³С– ¹³C двумерные эксперименты. в твердотельном ядерном магнитном резонансе (оссЯМР) Например, ¹⁵N чаще всего используется в импульсных последовательностях NCACX, NCOCX и CANcoCX.

Исследование азотсодержащих гетероциклов

¹⁵N ЯМР — наиболее эффективный метод исследования структуры гетероциклов с высоким содержанием атомов азота (тетразолов, триазинов и их аннелированных аналогов). ^{[ 7 ]}^{[ 8 ]} ¹⁵Мечение N с последующим анализом ¹³С– ¹⁵Н и ¹ЧАС- ¹⁵N-сочетания могут быть использованы для установления структуры и химических превращений азотистых гетероциклов. ^{[ 9 ]}

ИНЕПТ

Нечувствительные ядра, улучшенные за счет переноса поляризации (INEPT), — это метод повышения разрешения сигнала. Потому что ¹⁵N имеет небольшое по величине гиромагнитное отношение, разрешение довольно плохое. Общая последовательность импульсов, которая значительно улучшает разрешение ¹⁵N – НЕПЕЧАТЛЕННЫЙ. INEPT в большинстве случаев является элегантным решением, поскольку он увеличивает поляризацию Больцмана и снижает значения T ₁ (таким образом, сканирование становится короче). Кроме того, INEPT может учитывать отрицательные гиромагнитные отношения, тогда как обычный ядерный эффект Оверхаузера (NOE) не может.

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б Витановски, М (1974). «Азотная ЯМР-спектроскопия». Чистая и прикладная химия. 37, стр. 225-233. два : 10.1351/pac197437010225
^ Jump up to: ^а ^б Дж. Х. Нельсон (2003). Спектроскопия ядерного магнитного резонанса . Прентис-Холл. ISBN 978-0130334510 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д М. Х. Левитт (2008). Спиновая динамика . John Wiley & Sons Ltd. ISBN компании 978-0470511176 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Артур Дж. Палмер (2007). ЯМР-спектроскопия белков . Эльзевир Академик Пресс. ISBN 978-0121644918 .
^ Стоун, Николас Дж (2005). «Таблица ядерных магнитных дипольных и электрических квадрупольных моментов». Таблицы атомных и ядерных данных. 90 (1), стр. 75–176. дои : 10.1016/j.adt.2005.04.001
^ Jump up to: ^а ^б ^с Муни, EF; Уинсон, штат Пенсильвания (1969). «Азотная магнитно-резонансная спектроскопия». Годовые отчеты по ЯМР-спектроскопии (2), стр. 125–152. дои : 10.1016/S0066-4103(08)60321-X
^ Шестакова Татьяна С.; Шенкарев Захар О.; Деев, Сергей Л.; Чупахин Олег Н.; Халымбаджа Игорь А.; Русинов Владимир Леонидович; Арсеньев, Александр С. (27 июня 2013 г.). «Дальнодействующие связи 1H – 15N J, обеспечивающие метод прямого исследования структуры и равновесия азид-тетразол в ряду азидо-1,2,4-триазинов и азидопиримидинов» (PDF) . Журнал органической химии . 78 (14): 6975–6982. дои : 10.1021/jo4008207 . hdl : 10995/27205 . ISSN 0022-3263 . ПМИД 23751069 .
^ Deev, Sergey L; Paramonov, Alexander S; Shestakova, Tatyana S; Khalymbadzha, Igor A; Chupakhin, Oleg N; Subbotina, Julia O; Eltsov, Oleg S; Slepukhin, Pavel A; Rusinov, Vladimir L (2017-11-29). "15N-Labelling and structure determination of adamantylated azolo-azines in solution" . Beilstein Journal of Organic Chemistry . 13 (1): 2535–2548. doi : 10.3762/bjoc.13.250 . ISSN 1860-5397 . PMC 5727827 . PMID 29259663 .
^ Деев, Сергей Л.; Халымбаджа Игорь А.; Шестакова Татьяна С.; Чарушин Валерий Н.; Чупахин, Олег Н. (23 августа 2019 г.). «Мечение 15 N и анализ связей 13C–15N и 1H–15N в исследованиях структуры и химических превращений азотистых гетероциклов» . РСК Прогресс . 9 (46): 26856–26879. Бибкод : 2019RSCAd...926856D . дои : 10.1039/C9RA04825A . ISSN 2046-2069 . ПМК 9070671 . ПМИД 35528595 .

[autogenerated225-1] Jump up to: ^а ^б Витановски, М (1974). «Азотная ЯМР-спектроскопия». Чистая и прикладная химия. 37, стр. 225-233. два : 10.1351/pac197437010225

[Nelson-2] Jump up to: ^а ^б Дж. Х. Нельсон (2003). Спектроскопия ядерного магнитного резонанса . Прентис-Холл. ISBN 978-0130334510 .

[autogenerated1-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д М. Х. Левитт (2008). Спиновая динамика . John Wiley & Sons Ltd. ISBN компании 978-0470511176 .

[autogenerated2007-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Артур Дж. Палмер (2007). ЯМР-спектроскопия белков . Эльзевир Академик Пресс. ISBN 978-0121644918 .

[5] Стоун, Николас Дж (2005). «Таблица ядерных магнитных дипольных и электрических квадрупольных моментов». Таблицы атомных и ядерных данных. 90 (1), стр. 75–176. дои : 10.1016/j.adt.2005.04.001

[autogenerated125-6] Jump up to: ^а ^б ^с Муни, EF; Уинсон, штат Пенсильвания (1969). «Азотная магнитно-резонансная спектроскопия». Годовые отчеты по ЯМР-спектроскопии (2), стр. 125–152. дои : 10.1016/S0066-4103(08)60321-X

[7] Шестакова Татьяна С.; Шенкарев Захар О.; Деев, Сергей Л.; Чупахин Олег Н.; Халымбаджа Игорь А.; Русинов Владимир Леонидович; Арсеньев, Александр С. (27 июня 2013 г.). «Дальнодействующие связи 1H – 15N J, обеспечивающие метод прямого исследования структуры и равновесия азид-тетразол в ряду азидо-1,2,4-триазинов и азидопиримидинов» (PDF) . Журнал органической химии . 78 (14): 6975–6982. дои : 10.1021/jo4008207 . hdl : 10995/27205 . ISSN 0022-3263 . ПМИД 23751069 .

[8] Deev, Sergey L; Paramonov, Alexander S; Shestakova, Tatyana S; Khalymbadzha, Igor A; Chupakhin, Oleg N; Subbotina, Julia O; Eltsov, Oleg S; Slepukhin, Pavel A; Rusinov, Vladimir L (2017-11-29). "15N-Labelling and structure determination of adamantylated azolo-azines in solution" . Beilstein Journal of Organic Chemistry . 13 (1): 2535–2548. doi : 10.3762/bjoc.13.250 . ISSN 1860-5397 . PMC 5727827 . PMID 29259663 .

[9] Деев, Сергей Л.; Халымбаджа Игорь А.; Шестакова Татьяна С.; Чарушин Валерий Н.; Чупахин, Олег Н. (23 августа 2019 г.). «Мечение 15 N и анализ связей 13C–15N и 1H–15N в исследованиях структуры и химических превращений азотистых гетероциклов» . РСК Прогресс . 9 (46): 26856–26879. Бибкод : 2019RSCAd...926856D . дои : 10.1039/C9RA04825A . ISSN 2046-2069 . ПМК 9070671 . ПМИД 35528595 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]