Kärnmagnetisk resonansspektroskopi
Kärnmagnetisk resonansspektroskopi , mest känd som NMR-spektroskopi eller magnetisk resonansspektroskopi ( MRS ), är en spektroskopisk teknik för att observera lokala magnetfält runt atomkärnor . Provet placeras i ett magnetfält och NMR-signalen produceras genom excitation av kärnprovet med radiovågor till kärnmagnetisk resonans, som detekteras med känsliga radiomottagare. Det intramolekylära magnetfältet runt en atom i en molekyl ändrar resonansfrekvensen, vilket ger tillgång till detaljer om den elektroniska strukturen hos en molekyl och dess individuella funktionella grupper. Eftersom fälten är unika eller mycket karakteristiska för enskilda föreningar, i modern organisk kemi , är NMR-spektroskopi den definitiva metoden för att identifiera monomolekylära organiska föreningar .
Principen för NMR innefattar vanligtvis tre sekventiella steg:
- 0 Inriktningen (polariseringen) av den magnetiska kärnan snurrar i ett applicerat, konstant magnetfält B .
- Störningen av denna inriktning av kärnsnurrarna av ett svagt oscillerande magnetfält, vanligtvis kallat en radiofrekvens ( RF) puls.
- Detektion och analys av de elektromagnetiska vågorna som emitteras av provets kärnor som ett resultat av denna störning.
På liknande sätt använder biokemister NMR för att identifiera proteiner och andra komplexa molekyler. Förutom identifiering ger NMR-spektroskopi detaljerad information om molekylers struktur, dynamik, reaktionstillstånd och kemisk miljö. De vanligaste typerna av NMR är proton- och kol-13 NMR- spektroskopi, men den är tillämplig på alla typer av prov som innehåller kärnor som har spin .
NMR-spektra är unika, välupplösta, analytiskt handhavbara och ofta mycket förutsägbara för små molekyler . Olika funktionella grupper är uppenbarligen särskiljbara, och identiska funktionella grupper med olika närliggande substituenter ger fortfarande särskiljbara signaler. NMR har till stor del ersatt traditionella våtkemiska tester som färgreagens eller typisk kromatografi för identifiering. En nackdel är att det krävs en relativt stor mängd, 2–50 mg, av ett renat ämne, även om det kan återvinnas genom en upparbetning. Företrädesvis bör provet lösas i ett lösningsmedel, eftersom NMR-analys av fasta ämnen kräver en dedikerad magisk vinkelspinningsmaskin och kanske inte ger lika välupplösta spektra. Tidsskalan för NMR är relativt lång, och därför är den inte lämplig för att observera snabba fenomen, som endast producerar ett medelspektrum. Även om stora mängder föroreningar visas på ett NMR-spektrum, finns det bättre metoder för att detektera föroreningar, eftersom NMR i sig inte är särskilt känsligt - fastän vid högre frekvenser är känsligheten högre.
Korrelationsspektroskopi är en utveckling av vanlig NMR. I tvådimensionell NMR är emissionen centrerad kring en enda frekvens, och korrelerade resonanser observeras. Detta möjliggör identifiering av närliggande substituenter i den observerade funktionella gruppen, vilket möjliggör entydig identifiering av resonanserna. Det finns också mer komplexa 3D- och 4D-metoder och en mängd olika metoder utformade för att undertrycka eller förstärka särskilda typer av resonanser. I nukleär Overhauser-effekt (NOE)-spektroskopi observeras avslappningen av resonanserna. Eftersom NOE beror på kärnornas närhet, möjliggör kvantifiering av NOE för varje kärna konstruktion av en tredimensionell modell av molekylen.
NMR-spektrometrar är relativt dyra; universitet brukar ha dem, men de är mindre vanliga i privata företag. Mellan 2000 och 2015 kostade en NMR-spektrometer cirka 500 000 - 5 miljoner USD . Moderna NMR-spektrometrar har en mycket stark, stor och dyr flytande heliumkyld supraledande magnet, eftersom upplösningen direkt beror på magnetfältets styrka . Billigare maskiner med permanentmagneter och lägre upplösning finns också tillgängliga, som fortfarande ger tillräcklig prestanda för vissa applikationer som reaktionsövervakning och snabb kontroll av prover. Det finns till och med benchtop kärnmagnetiska resonansspektrometrar . NMR kan observeras i magnetfält mindre än en millitesla. Lågupplöst NMR producerar bredare toppar som lätt kan överlappa varandra och orsaka problem med att lösa komplexa strukturer. Användningen av magnetiska fält med högre styrka resulterar i tydlig upplösning av topparna och är standard inom industrin.
Historia
Kredit för upptäckten av NMR går till Isidor Isaac Rabi , som fick Nobelpriset i fysik 1944. Purcell-gruppen vid Harvard University och Bloch-gruppen vid Stanford University utvecklade oberoende NMR-spektroskopi i slutet av 1940-talet och början av 1950-talet. Edward Mills Purcell och Felix Bloch fick 1952 års Nobelpris i fysik för sina upptäckter.
Grundläggande NMR-tekniker
Resonans frekvens
absorberar aktiva NMR-kärnor (som 1H eller 13C ) elektromagnetisk strålning vid en frekvens som är karakteristisk för isotopen . Resonansfrekvensen, energin hos den absorberade strålningen och signalens intensitet är proportionella mot styrkan på magnetfältet. Till exempel, i ett magnetfält på 21 Tesla , resonerar vätekärnor (vanligen kallade protoner) vid 900 MHz. Det är vanligt att hänvisa till en 21 T-magnet som en 900 MHz -magnet eftersom väte är den vanligaste kärnan som detekteras, men olika kärnor kommer att resonera vid olika frekvenser vid denna fältstyrka i proportion till deras kärnmagnetiska moment . [ citat behövs ]
Provhantering
En NMR-spektrometer består vanligtvis av en snurrande provhållare inuti en mycket stark magnet, en radiofrekvenssändare och en mottagare med en sond (en antennenhet) som går inuti magneten för att omge provet, eventuellt gradientspolar för diffusionsmätningar och elektronik för att styra systemet. Att snurra provet är vanligtvis nödvändigt för att utjämna diffusionsrörelser, men vissa experiment kräver ett stationärt prov när lösningens rörelse är en viktig variabel. görs mätningar av diffusionskonstanter ( diffusionsordnad spektroskopi eller DOSY) med hjälp av ett stationärt prov med spinning-off, och flödesceller kan användas för onlineanalys av processflöden.
Deutererade lösningsmedel
Den stora majoriteten av molekylerna i en lösning är lösningsmedelsmolekyler, och de flesta vanliga lösningsmedel är kolväten och innehåller därför NMR-aktiva protoner. För att undvika att endast detektera signaler från lösningsmedelsväteatomer används deutererade lösningsmedel där 99+% av protonerna ersätts med deuterium (väte-2). Det mest använda deutererade lösningsmedlet är deuterokloroform (CDCI3 ) , även om andra lösningsmedel kan användas av olika anledningar, såsom löslighet av ett prov, önskan att kontrollera vätebindning , eller smält- eller kokpunkter. De kemiska skiftningarna av en molekyl kommer att ändras något mellan lösningsmedel, och det lösningsmedel som används kommer nästan alltid att rapporteras med kemiska skift. NMR-spektra kalibreras ofta mot den kända lösningsmedelsresterande protontoppen istället för tillsatt tetrametylsilan. [ citat behövs ]
Shim och lås
För att detektera de mycket små frekvensskiftningarna på grund av kärnmagnetisk resonans måste det applicerade magnetfältet vara konstant genom hela provvolymen. Högupplösta NMR-spektrometrar använder shims för att justera magnetfältets homogenitet till delar per miljard ( ppb ) i en volym på några kubikcentimeter. För att upptäcka och kompensera för inhomogenitet och drift i magnetfältet upprätthåller spektrometern ett "lås" på lösningsmedelsdeuteriumfrekvensen med en separat låsenhet, som i huvudsak är en extra sändare och RF-processor avstämd till låskärnan (deuterium) snarare än kärnorna i provet av intresse. I moderna NMR-spektrometrar justeras shims automatiskt, men i vissa fall måste operatören optimera shimsparametrarna manuellt för att få bästa möjliga upplösning
Förvärv av spektra
erhålls ett kärnmagnetiskt resonanssvar - ett fritt induktionsavfall (FID) -. Det är en mycket svag signal och kräver känsliga radiomottagare för att fånga upp. En Fouriertransform utförs för att extrahera frekvensdomänspektrumet från den råa tidsdomänen FID. Ett spektrum från en enda FID har ett lågt signal-brusförhållande, men det förbättras lätt med ett medelvärde av upprepade förvärv. Bra 1H NMR-spektra kan erhållas med 16 upprepningar, vilket tar bara minuter. För grundämnen som är tyngre än väte är dock relaxationstiden ganska lång, t.ex. runt 8 sekunder för 13 C. Sålunda kan insamling av kvantitativa tunga grundämnens spektra vara tidskrävande och ta tiotals minuter till timmar. [ citat behövs ]
Efter pulsen exciteras kärnorna i genomsnitt till en viss vinkel mot spektrometerns magnetfält. Omfattningen av exciteringen kan styras med pulsbredden, typiskt ca. 3-8 µs för optimal 90° puls. Pulsbredden kan bestämmas genom att plotta den (förtecknade) intensiteten som en funktion av pulsbredden. Den följer en sinuskurva och ändrar följaktligen tecken vid pulsbredder motsvarande 180° och 360° pulser. [ citat behövs ]
Avklingningstider för excitationen, vanligtvis mätt i sekunder, beror på effektiviteten av relaxation, som är snabbare för lättare kärnor och i fasta ämnen, och långsammare för tyngre kärnor och i lösningar, och de kan vara mycket långa i gaser. Om den andra exciteringspulsen sänds i förtid innan relaxationen är klar, har medelmagnetiseringsvektorn inte sjunkit till marktillstånd, vilket påverkar signalens styrka på ett oförutsägbart sätt. I praktiken är toppareorna då inte proportionella mot stökiometrin; endast närvaron, men inte mängden funktionella grupper, är möjlig att urskilja. Ett inversionsåtervinningsexperiment kan göras för att bestämma relaxationstiden och därmed den erforderliga fördröjningen mellan pulserna. En 180° puls, en justerbar fördröjning och en 90° puls sänds. När 90°-pulsen exakt tar bort signalen, motsvarar fördröjningen den tid som behövs för 90° avslappning. Inversionsåtervinning är värt besväret för kvantitativa 13 C, 2D och andra tidskrävande experiment.
Kemiskt skifte
En snurrande laddning genererar ett magnetfält som resulterar i ett magnetiskt moment proportionellt mot spinnet. I närvaro av ett externt magnetfält existerar två spinntillstånd (för en spin 1/2 kärna): ett spinn upp och ett spinn ner, där det ena är i linje med magnetfältet och det andra motsätter sig det. Skillnaden i energi (ΔE) mellan de två spinntillstånden ökar när fältstyrkan ökar, men denna skillnad är vanligtvis mycket liten, vilket leder till kravet på starka NMR-magneter (1-20 T för moderna NMR-instrument). Bestrålning av provet med energi som motsvarar den exakta spinntillståndsseparationen av en specifik uppsättning kärnor kommer att orsaka excitation av dessa uppsättningar kärnor i det lägre energitillståndet till det högre energitillståndet. [ citat behövs ]
För spin 1/2 kärnor är energiskillnaden mellan de två spinntillstånden vid en given magnetfältstyrka proportionell mot deras magnetiska moment. Men även om alla protoner har samma magnetiska moment ger de inte resonanssignaler vid samma frekvensvärden. Denna skillnad härrör från de olika elektroniska miljöerna i kärnan av intresse. Vid applicering av ett externt magnetfält rör sig dessa elektroner som svar på fältet och genererar lokala magnetfält som motsätter sig det mycket starkare applicerade fältet. Detta lokala fält "skärmar" alltså protonen från det applicerade magnetfältet, som därför måste ökas för att uppnå resonans (absorption av rf-energi). Sådana ökningar är mycket små, vanligtvis i delar per miljon (ppm). Till exempel förskjuts protontoppen från en aldehyd ca. 10 ppm jämfört med en kolvätetopp, eftersom karbonylen som en elektronbortdragande grupp avskärmar protonen genom att minska den lokala elektrondensiteten. Skillnaden mellan 2,3487 T och 2,3488 T är därför cirka 42 ppm. En frekvensskala används emellertid vanligtvis för att beteckna NMR-signalerna, även om spektrometern kan fungera genom att svepa magnetfältet, och således är 42 ppm 4200 Hz för en 100 MHz referensfrekvens (rf).
Men med tanke på att placeringen av olika NMR-signaler är beroende av den externa magnetiska fältstyrkan och referensfrekvensen, rapporteras signalerna vanligtvis i förhållande till en referenssignal, vanligtvis den för TMS (tetrametylsilan ) . Dessutom, eftersom fördelningen av NMR-signaler är fältberoende, delas dessa frekvenser med spektrometerfrekvensen. Men eftersom vi dividerar Hz med MHz, skulle det resulterande talet vara för litet, och det multipliceras därför med en miljon. Denna operation ger därför ett lokaliseringsnummer som kallas "det kemiska skiftet" med enheter av delar per miljon. I allmänhet är kemiska skift för protoner mycket förutsägbara eftersom skiftningarna främst bestäms av enklare skärmningseffekter (elektrondensitet), men de kemiska skiftningarna för många tyngre kärnor påverkas starkare av andra faktorer inklusive exciterade tillstånd ("paramagnetiskt" bidrag till avskärmning tensor). [ citat behövs ]
Det kemiska skiftet ger information om molekylens struktur. Omvandlingen av rådata till denna information kallas att tilldela spektrum. Till exempel, för ' H-NMR-spektrumet för etanol (CH 3 CH 2 OH), skulle man förvänta sig signaler vid var och en av tre specifika kemiska skift: en för CH 3 - gruppen, en för CH 2 - gruppen och en för O H -gruppen. En typisk CH 3 -grupp har ett skift runt 1 ppm, en CH 2 bunden till en OH har ett skift på runt 4 ppm och en OH har ett skift på allt från 2–6 ppm beroende på vilket lösningsmedel som används och mängden vätebindning . Medan O-atomen drar elektrontätheten bort från det fästa H genom sin ömsesidiga sigmabindning, badar de ensamma elektronparen på O H:et i sin avskärmande effekt. [ citat behövs ]
I paramagnetisk NMR-spektroskopi utförs mätningar på paramagnetiska prover. Paramagnetismen ger upphov till mycket olika kemiska förändringar. I 1H NMR-spektroskopi kan det kemiska skiftintervallet sträcka sig över upp till tusentals ppm.
genomsnittet av de tre metylprotonerna under NMR-experimentet (som vanligtvis kräver några ms ). Dessa protoner blir degenererade och bildar en topp vid samma kemiska skift.
Formen och arean av toppar är också indikatorer på kemisk struktur. I exemplet ovan – protonspektrumet för etanol – har CH 3 -toppen tre gånger arean av OH-toppen. På liknande sätt skulle CH2- toppen vara två gånger arean av OH-toppen men endast 2/3 av arean av CH3- toppen .
Programvaran tillåter analys av signalintensiteten för toppar, som under förhållanden med optimal avslappning korrelerar med antalet protoner av den typen. Analys av signalintensiteten görs genom integration — den matematiska process som beräknar arean under en kurva. Analytikern måste integrera toppen och inte mäta dess höjd eftersom topparna också har bredd - och därmed beror dess storlek på dess area inte på dess höjd. Det bör dock nämnas att antalet protoner, eller någon annan observerad kärna, endast är proportionell mot intensiteten, eller integralen, av NMR-signalen i de allra enklaste endimensionella NMR-experimenten. I mer utarbetade experiment, till exempel, experiment som vanligtvis används för att erhålla kol-13 NMR-spektra, beror integralen av signalerna på kärnans relaxationshastighet och dess skalära och dipolära kopplingskonstanter. Mycket ofta är dessa faktorer dåligt kända - därför är integralen av NMR-signalen mycket svår att tolka i mer komplicerade NMR-experiment.
J-koppling
| Mångfald | Intensitetsförhållande |
|---|---|
| Singlet (s) | 1 |
| Dublett (d) | 1:1 |
| Triplett (t) | 1:2:1 |
| Kvartett (q) | 1:3:3:1 |
| Kvintett | 1:4:6:4:1 |
| Sextett | 1:5:10:10:5:1 |
| Septett | 1:6:15:20:15:6:1 |
En del av den mest användbara informationen för strukturbestämning i ett endimensionellt NMR-spektrum kommer från J-koppling eller skalär koppling (ett specialfall av spin-spin-koppling) mellan NMR-aktiva kärnor. Denna koppling uppstår från interaktionen mellan olika spinntillstånd genom de kemiska bindningarna av en molekyl och resulterar i splittring av NMR-signaler. För en proton är det lokala magnetfältet något annorlunda beroende på om en intilliggande kärna pekar mot eller mot spektrometerns magnetfält, vilket ger upphov till två signaler per proton istället för en. Dessa uppdelningsmönster kan vara komplexa eller enkla och kan på samma sätt vara enkelt tolkbara eller vilseledande. Denna koppling ger detaljerad inblick i anslutningen av atomer i en molekyl. [ citat behövs ]
Koppling till n ekvivalenta (spin ½) kärnor delar upp signalen till en n +1 multiplett med intensitetsförhållanden efter Pascals triangel som beskrivs till höger. Koppling till ytterligare spins kommer att leda till ytterligare uppdelningar av varje komponent i multipletten, t.ex. koppling till två olika spin ½ kärnor med signifikant olika kopplingskonstanter kommer att leda till en dubblett av dubbletter (förkortning: dd). Observera att koppling mellan kärnor som är kemiskt ekvivalenta (det vill säga har samma kemiska förskjutning) har ingen effekt på NMR-spektra och kopplingar mellan kärnor som är avlägsna (vanligtvis mer än 3 bindningar från varandra för protoner i flexibla molekyler) är vanligtvis för små för att orsaka observerbara klyvningar. Långdistanskopplingar över mer än tre bindningar kan ofta observeras i cykliska och aromatiska föreningar, vilket leder till mer komplexa splittringsmönster. [ citat behövs ]
Till exempel, i protonspektrumet för etanol som beskrivs ovan, delas CH3-gruppen i en triplett med ett intensitetsförhållande på 1:2:1 av de två angränsande CH2- protonerna . På liknande sätt delas CH 2 i en kvartett med ett intensitetsförhållande på 1:3:3:1 av de tre angränsande CH 3 -protonerna. I princip skulle de två CH 2 -protonerna också delas igen till en dubblett för att bilda en dubblett av kvartetter av hydroxylprotonen, men intermolekylärt utbyte av den sura hydroxylprotonen resulterar ofta i en förlust av kopplingsinformation.
Koppling till alla spin-1/2 kärnor såsom fosfor-31 eller fluor-19 fungerar på detta sätt (även om storleken på kopplingskonstanterna kan vara mycket olika). Men delningsmönstren skiljer sig från de som beskrivits ovan för kärnor med spinn större än ½ eftersom spinnkvanttalet har fler än två möjliga värden. Till exempel, koppling till deuterium (en spin 1 kärna) delar upp signalen i en 1:1:1 triplett eftersom spin 1 har tre spinntillstånd. På liknande sätt delar en spin 3/2 kärna som 35 Cl en signal i en 1:1:1:1 kvartett och så vidare.
Koppling i kombination med det kemiska skiftet (och integrationen för protoner) berättar inte bara om kärnornas kemiska miljö, utan också antalet närliggande NMR-aktiva kärnor i molekylen. I mer komplexa spektra med flera toppar vid liknande kemiska skift eller i spektra av andra kärnor än väte, är koppling ofta det enda sättet att särskilja olika kärnor.
Andra ordningens (eller stark) koppling
Ovanstående beskrivning antar att kopplingskonstanten är liten i jämförelse med skillnaden i NMR-frekvenser mellan de inekvivalenta spinnen. Om skiftseparationen minskar (eller kopplingsstyrkan ökar) förvrängs först multiplettintensitetsmönstren och blir sedan mer komplexa och mindre lätta att analysera (särskilt om mer än två snurr är involverade). Intensifiering av vissa toppar i en multiplett uppnås på bekostnad av resten, som ibland nästan försvinner i bakgrundsbruset, även om den integrerade ytan under topparna förblir konstant. I de flesta högfälts-NMR är dock distorsionerna vanligtvis blygsamma och de karakteristiska distorsionerna ( roofing ) kan faktiskt hjälpa till att identifiera relaterade toppar.
Vissa av dessa mönster kan analyseras med metoden publicerad av John Pople , även om den har begränsad omfattning.
Andra ordningens effekter minskar när frekvensskillnaden mellan multipletter ökar, så att högfälts (dvs högfrekventa) NMR-spektra visar mindre distorsion än lägre frekvensspektra. Tidiga spektra vid 60 MHz var mer benägna att förvränga än spektra från senare maskiner som vanligtvis arbetade vid frekvenser på 200 MHz eller högre.
Dessutom, som i figuren till höger, kan J-koppling användas för att identifiera orto-meta-para-substitution av en ring. Ortokoppling är starkast vid 15 Hz, Meta följer med i snitt 2 Hz, och slutligen är parakoppling vanligtvis obetydlig för studier.
Magnetisk olikhet
Mer subtila effekter kan uppstå om kemiskt ekvivalenta spinn (dvs kärnor relaterade till symmetri och sålunda har samma NMR-frekvens) har olika kopplingsförhållanden till externa spinn. Spinn som är kemiskt ekvivalenta men inte går att särskilja (baserat på deras kopplingsförhållanden) kallas magnetiskt olikvärdiga. Till exempel delar sig 4H-ställena av 1,2-diklorbensen i två kemiskt ekvivalenta par genom symmetri, men en individuell medlem av ett av paren har olika kopplingar till de spinn som utgör det andra paret. Magnetisk inekvivalens kan leda till mycket komplexa spektra som endast kan analyseras genom beräkningsmodellering. Sådana effekter är vanligare i NMR-spektra av aromatiska och andra icke-flexibla system, medan konformationsgenomsnitt av C−C-bindningar i flexibla molekyler tenderar att utjämna kopplingarna mellan protoner på intilliggande kol, vilket minskar problem med magnetisk inekvivalens.
Korrelationsspektroskopi
Korrelationsspektroskopi är en av flera typer av tvådimensionell kärnmagnetisk resonans (NMR) spektroskopi eller 2D-NMR . Denna typ av NMR-experiment är mest känd genom sin förkortning COSY . Andra typer av tvådimensionell NMR inkluderar J-spektroskopi, utbytesspektroskopi (EXSY), Nuclear Overhauser-effektspektroskopi (NOESY), total korrelationsspektroskopi (TOCSY) och heteronukleära korrelationsexperiment, såsom HSQC , HMQC och HMBC . Vid korrelationsspektroskopi är emission centrerad på toppen av en enskild kärna; om dess magnetfält är korrelerat med en annan kärna genom genomgående bindning (COSY, HSQC, etc.) eller genom-rymden (NOE) koppling, kan ett svar också detekteras på frekvensen av den korrelerade kärnan. Tvådimensionella NMR-spektra ger mer information om en molekyl än endimensionella NMR-spektra och är särskilt användbara för att bestämma strukturen för en molekyl , särskilt för molekyler som är för komplicerade för att arbeta med endimensionell NMR. Det första tvådimensionella experimentet, COSY, föreslogs av Jean Jeener, professor vid Université Libre de Bruxelles, 1971. Detta experiment implementerades senare av Walter P. Aue, Enrico Bartholdi och Richard R. Ernst, som publicerade sitt arbete i 1976.
Kärnmagnetisk resonans i fast tillstånd
En mängd olika fysikaliska omständigheter tillåter inte att molekyler studeras i lösning, och samtidigt inte med andra spektroskopiska tekniker till atomnivå heller. I fastfasmedia, såsom kristaller, mikrokristallina pulver, geler, anisotropa lösningar, etc., är det i synnerhet den dipolära kopplingen och kemiska skiftanisotropin som blir dominerande för beteendet hos kärnspinnsystemen. I konventionell NMR-spektroskopi i lösningstillstånd skulle dessa ytterligare interaktioner leda till en betydande breddning av spektrallinjerna. En mängd olika tekniker gör det möjligt att etablera högupplösta förhållanden, som kan, åtminstone för 13C -spektra, vara jämförbara med NMR-spektra i lösningstillstånd.
Två viktiga koncept för NMR-spektroskopi med hög upplösning i fast tillstånd är begränsningen av möjlig molekylär orientering genom provorientering och minskningen av anisotropa kärnmagnetiska interaktioner genom provspinning. Av det senare tillvägagångssättet är snabb spinning runt den magiska vinkeln en mycket framträdande metod, när systemet består av spinn 1/2 kärnor. Spinnhastigheter på ca. 20 kHz används, vilket kräver specialutrustning. Ett antal mellanliggande tekniker, med prover av partiell inriktning eller reducerad rörlighet, används för närvarande i NMR-spektroskopi.
Tillämpningar där solid-state NMR-effekter uppstår är ofta relaterade till strukturundersökningar på membranproteiner, proteinfibriller eller alla typer av polymerer, och kemisk analys inom oorganisk kemi, men inkluderar även "exotiska" tillämpningar som växtbladen och bränsleceller. Till exempel, Rahmani et al. studerat effekten av tryck och temperatur på de bicellära strukturernas självmontering med hjälp av deuterium NMR-spektroskopi.
Biomolekylär NMR-spektroskopi
Proteiner
Mycket av innovationen inom NMR-spektroskopi har varit inom området protein-NMR- spektroskopi, en viktig teknik inom strukturbiologin . Ett gemensamt mål med dessa undersökningar är att erhålla högupplösta 3-dimensionella strukturer av proteinet, liknande vad som kan uppnås med röntgenkristallografi . I motsats till röntgenkristallografi är NMR-spektroskopi vanligtvis begränsad till proteiner mindre än 35 kDa , även om större strukturer har lösts. NMR-spektroskopi är ofta det enda sättet att få högupplöst information om delvis eller helt ostrukturerade proteiner . Det är nu ett vanligt verktyg för bestämning av konformationsaktivitetsrelationer där strukturen före och efter interaktion med till exempel en läkemedelskandidat jämförs med dess kända biokemiska aktivitet. Proteiner är storleksordningar större än de små organiska molekyler som diskuterats tidigare i denna artikel, men de grundläggande NMR-teknikerna och viss NMR-teori gäller också. På grund av det mycket högre antalet atomer som finns i en proteinmolekyl i jämförelse med en liten organisk förening, blir de grundläggande 1D-spektra överfyllda med överlappande signaler i en utsträckning där direkt spektralanalys blir ohållbar. Därför har flerdimensionella (2, 3 eller 4D) experiment utformats för att hantera detta problem. För att underlätta dessa experiment är det önskvärt att isotopiskt märka proteinet med 13 C och 15 N eftersom den dominerande naturligt förekommande isotopen 12 C inte är NMR-aktiv och det nukleära kvadrupolmomentet för den dominerande naturligt förekommande 14 N isotopen förhindrar högupplöst information från erhålls från denna kväveisotop. Den viktigaste metoden som används för strukturbestämning av proteiner använder NOE-experiment för att mäta avstånd mellan atomer inom molekylen. Därefter används de erhållna avstånden för att generera en 3D-struktur av molekylen genom att lösa ett avståndsgeometriproblem . NMR kan också användas för att få information om dynamiken och konformationsflexibiliteten hos olika regioner av ett protein.
Nukleinsyror
Nukleinsyra-NMR är användningen av NMR-spektroskopi för att få information om strukturen och dynamiken hos polynukleinsyror , såsom DNA eller RNA . Från och med 2003 hade nästan hälften av alla kända RNA-strukturer bestämts med NMR-spektroskopi.
Nukleinsyra- och protein-NMR-spektroskopi är likartade men skillnader finns. Nukleinsyror har en mindre andel väteatomer, vilket är de atomer som vanligtvis observeras i NMR-spektroskopi, och eftersom nukleinsyras dubbla helixar är styva och ungefär linjära, viker de sig inte tillbaka på sig själva för att ge "långdistans" korrelationer. De typer av NMR som vanligtvis görs med nukleinsyror är 1H eller proton NMR , 13C NMR , 15N NMR och 31P NMR . Tvådimensionella NMR- metoder används nästan alltid, såsom korrelationsspektroskopi (COSY) och total koherensöverföringsspektroskopi (TOCSY) för att detektera genombindningskärnkopplingar, och nukleär Overhausereffektspektroskopi (NOESY) för att detektera kopplingar mellan kärnor som är nära varandra i rymden.
Parametrar hämtade från spektrumet, huvudsakligen NOESY-korstoppar och kopplingskonstanter , kan användas för att bestämma lokala strukturella egenskaper såsom glykosidbindningsvinklar , dihedriska vinklar (med Karplus-ekvationen ) och sockerrynningskonformationer. För storskalig struktur måste dessa lokala parametrar kompletteras med andra strukturella antaganden eller modeller, eftersom fel läggs upp när dubbelspiralen korsas, och till skillnad från proteiner har den dubbla helixen inte ett kompakt inre och viks inte tillbaka på sig. NMR är också användbart för att undersöka icke-standardiserade geometrier som böjda helixar , icke-Watson-Crick basparning och koaxial stapling . Det har varit särskilt användbart för att undersöka strukturen av naturliga RNA-oligonukleotider, som tenderar att anta komplexa konformationer såsom stamslingor och pseudoknots . NMR är också användbart för att undersöka bindningen av nukleinsyramolekyler till andra molekyler, såsom proteiner eller läkemedel, genom att se vilka resonanser som förskjuts vid bindning av den andra molekylen.
Kolhydrater
Kolhydrat NMR- spektroskopi tar upp frågor om kolhydraters struktur och konformation . Analysen av kolhydrater med 1H NMR är utmanande på grund av den begränsade variationen i funktionella grupper, vilket leder till 1H-resonanser koncentrerade i smala band av NMR-spektrumet. Det finns med andra ord dålig spektral spridning. De anomera protonresonanserna är separerade från de andra på grund av att de anomera kolen bär två syreatomer. För mindre kolhydrater underlättar spridningen av de anomera protonresonanserna användningen av 1D TOCSY-experiment för att undersöka hela spinnsystemen för individuella kolhydratrester.
Drug Discovery
Kunskap om energiminima och rotationsenergibarriärer för små molekyler i lösning kan hittas med hjälp av NMR, t.ex. genom att titta på fria ligandkonformationspreferenser respektive konformationsdynamik. Detta kan användas för att styra hypoteser om läkemedelsdesign, eftersom experimentella och beräknade värden är jämförbara. Till exempel använder AstraZeneca NMR för sin onkologiska forskning och utveckling.
Se även
- Jordens fält NMR
- In vivo magnetisk resonansspektroskopi
- Funktionell magnetisk resonansspektroskopi av hjärnan
- Lågfälts-NMR
- Magnetisk resonanstomografi
- NMR-kristallografi
- NMR-spektradatabas
- NMR-spektroskopi av stereoisomerer
- Kärnfyrpolresonans
- Pulserande fältmagnet
- Protonförstärkt kärninduktionsspektroskopi
- Trippelresonans kärnmagnetisk resonansspektroskopi
- Nollfälts-NMR
- Kärnmagnetisk resonansavkoppling
Relaterade metoder för kärnspektroskopi :
Vidare läsning
- John D. Roberts (1959). Kärnmagnetisk resonans: tillämpningar för organisk kemi . McGraw-Hill Book Company. ISBN 9781258811662 .
- JAPople ; WGSchneider ; HJBernstein (1959). Högupplöst kärnmagnetisk resonans . McGraw-Hill Book Company.
- A. Abragam (1961). Principerna för kärnmagnetism . Clarendon Press. ISBN 9780198520146 .
- Charles P. Slichter (1963). Principer för magnetisk resonans: med exempel från fasta tillståndets fysik . Harper & Row. ISBN 9783540084761 .
- John Emsley ; James Feeney; Leslie Howard Sutcliffe (1965). Högupplöst kärnmagnetisk resonansspektroskopi . Pergamon. ISBN 9781483184081 .
externa länkar
- James Keeler. "Understanding NMR Spectroscopy" (omtryckt vid University of Cambridge ) . University of California, Irvine . Hämtad 2007-05-11 .
- Grunderna för NMR - En icke-teknisk översikt av NMR-teori, utrustning och tekniker av Dr. Joseph Hornak, professor i kemi vid RIT
- GAMMA- och PyGAMMA-bibliotek - GAMMA är ett C++-bibliotek med öppen källkod skrivet för simulering av kärnmagnetisk resonansspektroskopi. PyGAMMA är ett Python-omslag runt GAMMA.
- relax Programvara för analys av NMR-dynamik
- Vespa - VeSPA (Versatile Simulation, Pulses and Analysis) är en gratis mjukvarusvit som består av tre Python-applikationer. Dessa GUI-baserade verktyg är för magnetisk resonans (MR) spektral simulering, RF-pulsdesign och spektral bearbetning och analys av MR-data.
|
Kemins grenar
| |
|---|---|
| Analytisk | |
| Teoretisk | |
| Fysisk | |
| Oorganisk | |
| Organisk | |
| Biologisk | |
| Tvärvetenskap | |
| Se även | |
| Nationalbibliotek | |
|---|---|
| Övrig | |
