Nitrogen-15 kärnmagnetisk resonansspektroskopi

Nitrogen-15 kärnmagnetisk resonansspektroskopi ( nitrogen-15 NMR-spektroskopi , eller helt enkelt ¹⁵ N NMR ) är en version av kärnmagnetisk resonansspektroskopi som undersöker prover som innehåller ¹⁵ N-kärnan. ¹⁵ N NMR skiljer sig på flera sätt från de vanligare ¹³ C och ¹ H NMR. För att kringgå svårigheterna som är förknippade med mätning av den kvadrupolära, spin-1 ¹⁴ N nukliden, används ¹⁵ N NMR i prover för detektion eftersom den har ett grundtillståndsspinn på ½. Eftersom ¹⁴ N är 99,64 % rikligt, kräver inkorporering av ¹⁵ N i prover ofta nya syntetiska tekniker.

Kväve-15 används ofta i kärnmagnetisk resonansspektroskopi (NMR), eftersom till skillnad från det mer rikliga kväve-14, som har ett heltalskärnspinn och därmed ett fyrpolsmoment, har ¹⁵ N ett fraktionerat kärnspinn på hälften, vilket erbjuder fördelar för NMR som smalare linjebredd. Proteiner kan isotopmärkas genom att odla dem i ett medium som innehåller kväve-15 som den enda kvävekällan. Dessutom används kväve-15 för att märka proteiner i kvantitativ proteomik (t.ex. SILAC ).

Genomförande

¹⁵ N NMR har komplikationer som inte påträffas i ¹ H och ¹³ C NMR spektroskopi. Den naturliga mängden 0,36 % av ¹⁵ N resulterar i en stor känslighetsstraff. Känsligheten förvärras av dess låga gyromagnetiska förhållande (γ = −27,126 × 10 ⁶ T ⁻¹ s ⁻¹ ), vilket är 10,14 % av ¹ H. Signal-brusförhållandet för ¹ H är cirka 300 gånger större än ¹⁵ N vid samma magnetiska fältstyrka.

Fysikaliska egenskaper

De fysikaliska egenskaperna hos ^15N skiljer sig ganska mycket från andra kärnor. Dess egenskaper tillsammans med flera vanliga kärnor sammanfattas i tabellen nedan.

Isotop	Magnetiskt dipolmoment ( μN ₎	Nukleärt spinnnummer	Naturligt överflöd (%)	Gyromagnetiskt förhållande (10 ⁶ rad s ⁻¹ T ⁻¹ )	NMR-frekvens vid 11,7T (MHz)
¹ H	2,79284734(3)	1/2	~100	267,522	-500
² H	0,857438228(9)	1	0,015	41,066	-76.753
³ H	2,97896244(4)	1/2	0	285,349	-533,32
¹⁰ B	1,80064478(6)	3	19.9	28,747	-53.718
¹¹ B	2,6886489	3/2	80,1	85,847	-160,42
¹³ C	0,7024118(14)	1/2	1.1	67,238	-125.725
¹⁴ N	0,40376100(6)	1	99,6	19,338	-36.132
¹⁵ N	-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

Kemiska förändringstrender

Typiska ¹⁵ N kemiska skiftvärden (δ) för vanliga organiska grupper där trycksatt flytande ammoniak är standarden och tilldelas ett kemiskt skift på 0 ppm.

International Union of Pure and Applied Chemistry (IUPAC) rekommenderar att CH ₃ NO _{2 används} som experimentstandard; Men i praktiken använder många spektroskopister trycksatt NH ₃ (l) istället. För ¹⁵ N är kemiska skift refererade med NH3 _{= ₍}_{_CH3NO2 + _ppm 1}₎_380,5 uppåt från CH3NO2 ( ₅ NH3 5 380,5 ppm) . Kemiska skiftningar för 15N ^är något oberäkneliga men typiskt sträcker de sig över ett område av -400 ppm till 1100 ppm med avseende _på_CH3NO2 . Nedan är en sammanfattning av ¹⁵ N kemiska skift för vanliga organiska grupper refererade med avseende på NH ₃ , vars kemiska skift tilldelas 0 ppm.

Gyromagnetiskt förhållande

Tecknet för det gyromagnetiska förhållandet, γ, bestämmer precessionskänslan. Kärnor som ^1H och ^13C sägs ha medursprecession medan ^15N har motursprecession.

Till skillnad från de flesta kärnor är det gyromagnetiska förhållandet för ¹⁵ N negativt. Med fenomenet spinprecession bestämmer tecknet γ känslan (medurs vs moturs) av precession. De vanligaste kärnorna har positiva gyromagnetiska förhållanden som ¹ H och ¹³ C.

Ansökningar

Tautomerisering

Exempel ¹⁵ N kemiska skift för tautomerer som genomgår tautomerisering.

¹⁵ N NMR används inom ett brett spektrum av områden från biologiska till oorganiska tekniker. En berömd tillämpning inom organisk syntes är att använda ¹⁵ N för att övervaka tautomeriseringsjämvikter i heteroaromatics på grund av den dramatiska förändringen i ¹⁵ N skift mellan tautomerer.

Protein NMR

ssNMR-polarisationsvägarna för NCACX-, NCOCX- respektive CANcoCX-experimenten. I varje fall är alla kol- och kväveatomer antingen enhetligt eller delvis isotopiskt märkta med ¹³ C och ¹⁵ N.

¹⁵ N NMR är också extremt värdefullt i protein NMR-undersökningar. Mest anmärkningsvärt är att införandet av tredimensionella experiment med ¹⁵ N lyfter tvetydigheten i ¹³ C – ¹³ C tvådimensionella experiment. I solid-state nuclear magnetic resonance (ssNMR), till exempel, är ¹⁵ N vanligast i NCACX-, NCOCX- och CANcoCX-pulssekvenser.

Undersökning av kvävehaltiga heterocykler

¹⁵ N NMR är den mest effektiva metoden för att undersöka strukturen hos heterocykler med hög halt av kväveatomer (tetrazoler, triaziner och deras annelerade analoger). ¹⁵ N-märkning följt av analys av ¹³ C– ¹⁵ N och ¹ H– ¹⁵ N-kopplingar kan användas för att etablera strukturer och kemiska omvandlingar av kväveheterocykler.

OLÄMPLIG

Grafisk representation av INEPT NMR-pulssekvensen. INEPT används ofta för att förbättra ^¹⁵ N-upplösningen eftersom det kan ta emot negativa gyromagnetiska förhållanden, ökar Boltzmann-polariseringen och minskar T1- _relaxationen .

Okänsliga kärnor förstärkta av polarisationsöverföring ( INEPT) är en metod för att förbättra signalupplösningen. Eftersom ¹⁵ N har ett gyromagnetiskt förhållande som är litet i storleken är upplösningen ganska dålig. En vanlig pulssekvens som dramatiskt förbättrar upplösningen för ¹⁵ N är INEPT. INEPT är en elegant lösning i de flesta fall eftersom den ökar Boltzmann-polariseringen och sänker T ₁ -värdena (sålunda blir skanningarna kortare). Dessutom kan INEPT hantera negativa gyromagnetiska förhållanden, medan den gemensamma nukleära Overhauser-effekten (NOE) inte kan.

Se även