Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
ЯМР-прибор 900 МГц с магнитом 21,1  Тл в HWB-NMR , Бирмингем, Великобритания

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса , наиболее известная как ЯМР-спектроскопия или магнитно-резонансная спектроскопия ( MRS ), представляет собой спектроскопический метод наблюдения локальных магнитных полей вокруг ядер атомов . Образец помещается в магнитное поле, и сигнал ЯМР создается путем возбуждения образца ядер радиоволнами в ядерный магнитный резонанс., который обнаруживается чувствительными радиоприемниками. Внутримолекулярное магнитное поле вокруг атома в молекуле изменяет резонансную частоту, тем самым открывая доступ к деталям электронной структуры молекулы и ее отдельных функциональных групп. Поскольку поля уникальны или очень характерны для отдельных соединений, в современной практике органической химии ЯМР-спектроскопия является окончательным методом идентификации мономолекулярных органических соединений .

Принцип ЯМР обычно включает три последовательных этапа:

  1. Выравнивание (поляризация) магнитных ядерных спинов в приложенном постоянном магнитном поле B 0 .
  2. Возмущение этого выравнивания ядерных спинов слабым осциллирующим магнитным полем , обычно называемое радиочастотным (РЧ) импульсом.
  3. Обнаружение и анализ электромагнитных волн, излучаемых ядрами образца в результате этого возмущения.

Точно так же биохимики используют ЯМР для идентификации белков и других сложных молекул. Помимо идентификации, ЯМР-спектроскопия предоставляет подробную информацию о структуре, динамике, состоянии реакции и химическом окружении молекул. Наиболее распространенные типы ЯМРА протон и углерод-13 ЯМР - спектроскопия, но он применит к любому виду образца, содержащее ядро , обладающее спином .

Спектры ЯМР уникальны, хорошо разрешены, аналитически поддаются анализу и часто хорошо предсказуемы для небольших молекул . Очевидно, что разные функциональные группы различимы, и идентичные функциональные группы с разными соседними заместителями по-прежнему дают различимые сигналы. ЯМР в значительной степени заменил традиционные тесты влажной химии, такие как цветовые реагенты или типичная хроматография для идентификации. Недостатком является то, что требуется относительно большое количество, 2–50 мг очищенного вещества, хотя оно может быть получено путем обработки. Предпочтительно, чтобы образец был растворен в растворителе, потому что ЯМР-анализ твердых веществ требует специального вращения под магическим углом.аппарат и может не давать столь же хорошо разрешенные спектры. Временной масштаб ЯМР относительно велик, и поэтому он не подходит для наблюдения быстрых явлений, поскольку дает только усредненный спектр. Хотя большое количество примесей действительно проявляется в спектре ЯМР, существуют более эффективные методы обнаружения примесей, поскольку ЯМР по своей природе не очень чувствителен, хотя на более высоких частотах чувствительность выше.

Корреляционная спектроскопия - это развитие обычного ЯМР. В двумерном ЯМР излучение сосредоточено вокруг одной частоты, и наблюдаются коррелированные резонансы. Это позволяет идентифицировать соседние заместители наблюдаемой функциональной группы, позволяя однозначно идентифицировать резонансы. Существуют также более сложные методы 3D и 4D и множество методов, предназначенных для подавления или усиления определенных типов резонансов. В спектроскопии ядерного эффекта Оверхаузера (NOE) наблюдается релаксация резонансов. Поскольку NOE зависит от близости ядер, количественное определение NOE для каждого ядра позволяет построить трехмерную модель молекулы.

Разрез ЯМР-магнита, показывающий его структуру: радиационный экран, вакуумная камера, емкость с жидким азотом, емкость с жидким гелием и криогенные прокладки . [1]

Спектрометры ЯМР относительно дороги; Обычно они есть в университетах, но в частных компаниях они встречаются реже. Между 2000 и 2015 годами стоимость ЯМР-спектрометра составляла около 500 000–5 миллионов долларов США . [2] [3] Современные ЯМР-спектрометры имеют очень сильный, большой и дорогой сверхпроводящий магнит, охлаждаемый жидким гелием , потому что разрешение напрямую зависит от напряженности магнитного поля. Также доступны менее дорогие машины с постоянными магнитами и более низким разрешением, которые по-прежнему обеспечивают достаточную производительность для определенных приложений, таких как мониторинг реакции и быстрая проверка образцов. Есть даже настольные спектрометры ядерного магнитного резонанса.. ЯМР можно наблюдать в магнитных полях менее миллитесла. ЯМР низкого разрешения дает более широкие пики, которые могут легко перекрывать друг друга, вызывая проблемы при разрешении сложных структур. Использование более сильных магнитных полей приводит к четкому разрешению пиков и является стандартом в промышленности. [4]


История [ править ]

Заслуга в открытии ЯМР принадлежит Исидору Исааку Раби , получившему Нобелевскую премию по физике в 1944 году. [5] Группа Перселла в Гарвардском университете и группа Блоха в Стэнфордском университете независимо разработали ЯМР-спектроскопию в конце 1940-х и начале 1950-х годов. Эдвард Миллс Перселл и Феликс Блох разделили Нобелевскую премию по физике 1952 года за свои открытия. [6]

Основные методы ЯМР [ править ]

Образец ЯМР готовят в тонкостенной стеклянной трубке - трубке ЯМР .

Резонансная частота [ править ]

При помещении в магнитное поле активные ядра ЯМР (например, 1 H или 13 C) поглощают электромагнитное излучение с частотой, характерной для изотопа . [7] Резонансная частота, энергия поглощенного излучения и интенсивность сигнала пропорциональны силе магнитного поля. Например, в магнитном поле 21 тесла ядра водорода (обычно называемые протонами) резонируют на частоте 900 МГц. Магнит на 21 Тл обычно называют магнитом на 900 МГц, поскольку водород является наиболее часто обнаруживаемым ядром, однако разные ядра будут резонировать на разных частотах при этой напряженности поля пропорционально их величине.ядерные магнитные моменты .

Обработка образцов [ править ]

Спектрометр ЯМР обычно состоит из вращающегося держателя образца внутри очень сильного магнита, радиочастотного излучателя и приемника с зондом (антенный узел), который проходит внутри магнита и окружает образец, необязательно градиентных катушек для измерений диффузии, и электроника для управления системой. Вращение образца обычно необходимо для усреднения диффузионного движения, однако в некоторых экспериментах требуется стационарный образец, когда движение раствора является важной переменной. Например, измерения констант диффузии ( диффузионно-упорядоченная спектроскопия или DOSY) [8] [9] выполняются с использованием стационарного образца с отводом, а проточные ячейки могут использоваться для онлайн-анализа технологических потоков.

Дейтерированные растворители [ править ]

Подавляющее большинство молекул в растворе - это молекулы растворителя, а большинство обычных растворителей - это углеводороды, поэтому они содержат ЯМР-активные протоны. Чтобы избежать обнаружения только сигналов от атомов водорода растворителя, используются дейтерированные растворители, в которых более 99% протонов заменены дейтерием (водород-2). Наиболее широко используемый дейтерированный растворитель представляет собой дейтерохлороформ (CDCl 3 ), хотя и другие растворители могут быть использованы по различным причинам, таким как растворимость образца, желание контролировать образование водородных связей, или точки плавления или кипения. Химические сдвиги молекулы будут незначительно изменяться между растворителями, и используемый растворитель почти всегда будет сообщаться с химическими сдвигами. Спектры ЯМР часто калибруют по известному пику остаточных протонов растворителя вместо добавленного тетраметилсилана.

Прокладка и фиксатор [ править ]

Чтобы обнаружить очень небольшие сдвиги частоты из-за ядерного магнитного резонанса, приложенное магнитное поле должно быть постоянным во всем объеме образца. Спектрометры ЯМР высокого разрешения используют прокладки для регулировки однородности магнитного поля до частей на миллиард ( ppb ) в объеме в несколько кубических сантиметров. Чтобы обнаружить и компенсировать неоднородность и дрейф магнитного поля, спектрометр поддерживает "блокировку" частоты дейтерия в растворителе с помощью отдельного блока синхронизации, который по сути является дополнительным передатчиком и ВЧ-процессором, настроенным на ядро ​​блокировки (дейтерий). а не ядра интересующего образца. [10]В современных ЯМР-спектрометрах регулировка шиммирования выполняется автоматически, хотя в некоторых случаях оператору приходится вручную оптимизировать параметры регулировочной шайбы, чтобы получить наилучшее возможное разрешение [11] [12]

Получение спектров [ править ]

При возбуждении образца радиочастотным (60–1000 МГц) импульсом получается отклик ядерного магнитного резонанса - спад свободной индукции (FID). Это очень слабый сигнал, и для его приема необходимы чувствительные радиоприемники. Преобразование Фурье осуществляется для извлечения спектра частотной области от исходной временной области FID. Спектр от одного FID имеет низкое отношение сигнал / шум , но он легко улучшается при усреднении повторных измерений. Хорошие спектры 1 H ЯМР можно получить с 16 повторами, что занимает всего несколько минут. Однако для элементов тяжелее водорода время релаксации довольно велико, например, около 8 секунд для 13C. Таким образом, получение количественных спектров тяжелых элементов может занять много времени, от десятков минут до часов.

После импульса ядра в среднем возбуждаются под определенным углом относительно магнитного поля спектрометра. Степень возбуждения можно контролировать с помощью ширины импульса, обычно прибл. 3-8 мкс для оптимального импульса 90 °. Ширина импульса может быть определена путем построения графика интенсивности (подписанной) как функции ширины импульса. Он следует синусоидальной кривой и, соответственно, меняет знак при ширине импульса, соответствующей импульсам 180 ° и 360 °.

Время затухания возбуждения, обычно измеряемое в секундах, зависит от эффективности релаксации, которая быстрее для более легких ядер и в твердых телах и медленнее для более тяжелых ядер и в растворах, и они могут быть очень длинными в газах. Если второй импульс возбуждения посылается преждевременно до завершения релаксации, средний вектор намагниченности не распадется до основного состояния, что непредсказуемо влияет на силу сигнала. На практике площади пиков тогда не пропорциональны стехиометрии; можно различить только присутствие, но не количество функциональных групп. Эксперимент по восстановлению инверсии может быть проведен для определения времени релаксации и, следовательно, необходимой задержки между импульсами. Передаются импульс 180 ° с регулируемой задержкой и импульс 90 °. Когда импульс 90 ° точно гасит сигнал,задержка соответствует времени, необходимому для релаксации на 90 °.[13] Восстановление с инверсией целесообразно для количественных 13 C, 2D и других длительных экспериментов.

Химический сдвиг [ править ]

Основная статья: Химический сдвиг

Вращающийся заряд создает магнитное поле, в результате чего возникает магнитный момент, пропорциональный спину. В присутствии внешнего магнитного поля существуют два спиновых состояния (для ядра со спином 1/2): одно со спином вверх и одно со спином вниз, где одно выравнивается с магнитным полем, а другое противостоит ему. Разница в энергии (ΔE) между двумя спиновыми состояниями увеличивается по мере увеличения напряженности поля, но эта разница обычно очень мала, что приводит к необходимости использования сильных магнитов ЯМР (1-20 Тл для современных ЯМР-инструментов). Облучение образца энергией, соответствующей точному разделению спиновых состояний определенного набора ядер, вызовет возбуждение этого набора ядер в состоянии с более низкой энергией до состояния с более высокой энергией.

Для ядер со спином 1/2 разность энергий между двумя спиновыми состояниями при данной напряженности магнитного поля пропорциональна их магнитному моменту. Однако, даже если все протоны имеют одинаковые магнитные моменты, они не дают резонансных сигналов с одинаковыми значениями частоты. Эта разница возникает из-за различий в электронном окружении интересующего ядра. При приложении внешнего магнитного поля эти электроны движутся в ответ на это поле и генерируют локальные магнитные поля, которые противостоят гораздо более сильному приложенному полю. Таким образом, это локальное поле «экранирует» протон от приложенного магнитного поля, которое, следовательно, должно быть увеличено для достижения резонанса (поглощения высокочастотной энергии). Такие приращения очень малы, обычно в частях на миллион (ppm). Например, пик протона альдегида смещен на ок.10 ppm по сравнению с пиком углеводородов, посколькуэлектроноакцепторная группа , карбонил деэкранирует протон за счет уменьшения локальной электронной плотности. Таким образом, разница между 2,3487 Тл и 2,3488 Тл составляет около 42 частей на миллион. Однако частотный масштаб обычно используется для обозначения сигналов ЯМР, несмотря на то, спектрометр может работать при развертке магнитного поля, и , таким образом, 42 частей на миллион составляет 4200 Гц для опорной частоты 100 МГц (РЧ).

Однако, учитывая, что расположение различных сигналов ЯМР зависит от напряженности внешнего магнитного поля и эталонной частоты, сигналы обычно сообщаются относительно эталонного сигнала, обычно TMS ( тетраметилсилана ). Кроме того, поскольку распределение сигналов ЯМР зависит от поля, эти частоты делятся на частоту спектрометра. Однако, поскольку мы делим Гц на МГц, полученное число будет слишком маленьким, и поэтому оно умножается на миллион. Таким образом, эта операция дает номер локатора, называемый «химическим сдвигом» с единицами измерения частей на миллион. [14] В общем, химические сдвиги для протонов очень предсказуемы, поскольку сдвиги в первую очередь определяются более простыми эффектами экранирования (электронной плотностью), но на химические сдвиги для многих более тяжелых ядер сильнее влияют другие факторы, включая возбужденные состояния («парамагнитный» вклад в экранирование тензор).

Пример химического сдвига: спектр ЯМР гексаборана B 6 H 10, показывающий сдвинутые по частоте пики, которые дают ключ к разгадке молекулярной структуры. (нажмите, чтобы прочитать подробности интерпретации)

Химический сдвиг дает информацию о структуре молекулы. Преобразование необработанных данных в эту информацию называется присвоением спектра. Например, для спектра 1 H-ЯМР этанола (CH 3 CH 2 OH) можно ожидать сигналов при каждом из трех конкретных химических сдвигов: один для группы C H 3 , один для группы C H 2 и один для уплотнительные Н группа. Типичная группа CH 3 имеет сдвиг около 1 ppm, CH 2, присоединенный к OH, имеет сдвиг около 4 ppm, а OH имеет сдвиг от 2 до 6 ppm в зависимости от используемого растворителя и количества водородных связей.. В то время как атом O действительно оттягивает электронную плотность от присоединенного H через их взаимную сигма-связь, неподеленные пары электронов на O купают H своим экранирующим эффектом.

В парамагнитной ЯМР-спектроскопии измерения проводятся на парамагнитных образцах. Парамагнетизм вызывает самые разнообразные химические сдвиги. В 1 H-ЯМР-спектроскопии диапазон химического сдвига может достигать тысяч ppm. [15]

Из-за молекулярного движения при комнатной температуре три метильных протона усредняются во время эксперимента ЯМР (который обычно требует нескольких мс ). Эти протоны становятся вырожденными и образуют пик при одном и том же химическом сдвиге.

Форма и площадь пиков также являются индикаторами химической структуры. В приведенном выше примере - протонный спектр этанола - пик CH 3 имеет площадь в три раза больше, чем пик OH. Точно так же пик CH 2 будет в два раза больше площади пика OH, но только на 2/3 площади пика CH 3 .

Программное обеспечение позволяет анализировать интенсивность сигналов пиков, которые в условиях оптимальной релаксации коррелируют с количеством протонов этого типа. Анализ интенсивности сигнала выполняется путем интегрирования - математического процесса, который вычисляет площадь под кривой. Аналитик должен интегрировать пик, а не измерять его высоту, потому что пики также имеют ширину - и, таким образом, его размер зависит от площади, а не от высоты. Однако следует упомянуть, что количество протонов или любого другого наблюдаемого ядра пропорционально только интенсивности или интегралу сигнала ЯМР в самых простых одномерных экспериментах ЯМР. Например, в более сложных экспериментах, обычно используемых для получения углерода-13В спектрах ЯМР интеграл сигналов зависит от скорости релаксации ядра и его скалярных и диполярных констант взаимодействия. Очень часто эти факторы плохо известны, поэтому интеграл сигнала ЯМР очень трудно интерпретировать в более сложных экспериментах по ЯМР.

J-соединение [ править ]

Основная статья: J-муфта
МножественностьКоэффициент интенсивности
Синглет (ы)1
Дублет (г)1: 1
Триплет (т)1: 2: 1
Квартет (q)1: 3: 3: 1
Квинтет1: 4: 6: 4: 1
Секстет1: 5: 10: 10: 5: 1
Септет1: 6: 15: 20: 15: 6: 1
Пример 1. Спектр ЯМР H (1-мерный) этанола, построенный как зависимость интенсивности сигнала от химического сдвига . Что касается ЯМР, существует три различных типа атомов H в этаноле. Водород (H) в группе -OH не взаимодействует с другими атомами H и выглядит как синглет, но атомы водорода CH 3 - и -CH 2 - взаимодействуют друг с другом, в результате чего образуются триплет и квартет соответственно.

Наиболее полезная информация для определения структуры в одномерном спектре ЯМР поступает из J-связи или скалярной связи (особый случай спин-спиновой связи) между ЯМР-активными ядрами. Эта связь возникает из-за взаимодействия различных спиновых состояний через химические связи молекулы и приводит к расщеплению сигналов ЯМР. Для протона локальное магнитное поле немного отличается в зависимости от того, направлено ли соседнее ядро ​​в сторону или против магнитного поля спектрометра, что дает два сигнала на протон вместо одного. Эти шаблоны расщепления могут быть сложными или простыми, а также могут быть легко интерпретируемыми или вводящими в заблуждение. Это соединение обеспечивает детальное понимание взаимосвязи атомов в молекуле.

Связывание с n эквивалентными ядрами (спин 1/2) разбивает сигнал на мультиплет n +1 с отношениями интенсивностей, соответствующими треугольнику Паскаля, как описано справа. Связывание с дополнительными спинами приведет к дальнейшему расщеплению каждого компонента мультиплета, например, соединение с двумя разными ядрами со спином 1/2 со значительно разными константами связи приведет к дублету дублетов (сокращение: dd). Обратите внимание, что связь между ядрами, которые химически эквивалентны (то есть, имеют одинаковый химический сдвиг), не влияет на спектры ЯМР, а связи между ядрами, которые находятся на расстоянии (обычно более 3 связей друг от друга для протонов в гибких молекулах), обычно слишком малы. вызвать наблюдаемые расщепления. В циклических и ароматических соединениях часто можно наблюдать дальнодействующие связи более чем трех связей , что приводит к более сложным схемам расщепления.

Например, в спектре протонов этанола, описанном выше, группа CH 3 расщепляется на триплет с соотношением интенсивностей 1: 2: 1 двумя соседними протонами CH 2 . Точно так же CH 2 разделяется на квартет с соотношением интенсивностей 1: 3: 3: 1 тремя соседними протонами CH 3 . В принципе, два протона CH 2 также должны быть снова разделены на дублет с образованием дублета квартетов гидроксильным протоном, но межмолекулярный обмен кислого гидроксильного протона часто приводит к потере информации о связывании.

Связь с любыми ядрами со спином 1/2, такими как фосфор-31 или фтор-19, работает таким же образом (хотя величины констант связи могут быть очень разными). Но схемы расщепления отличаются от описанных выше для ядер со спином больше 1/2, потому что квантовое число спина имеет более двух возможных значений. Например, взаимодействие с дейтерием (ядром со спином 1) разбивает сигнал на триплет 1: 1: 1, потому что спин 1 имеет три состояния спина. Точно так же ядро ​​со спином 3/2 разбивает сигнал на квартет 1: 1: 1: 1 и так далее.

Связывание в сочетании с химическим сдвигом (и интегрированием для протонов) говорит нам не только о химическом окружении ядер, но и о количестве соседних ядер ЯМР-активных ядер в молекуле. В более сложных спектрах с множеством пиков при аналогичных химических сдвигах или в спектрах ядер, отличных от водорода, связывание часто является единственным способом различить разные ядра.

Спектр ЯМР 1 H ментола с химическим сдвигом в ppm по горизонтальной оси. Каждый магнитно неэквивалентный протон имеет характерный сдвиг, и взаимодействия с другими протонами проявляются как расщепление пиков на мультиплеты: например, пик a , из-за трех магнитно эквивалентных протонов в метильной группе a , соединяется с одним соседним протоном ( e ) и, таким образом, появляется как дуплет.

Связь второго порядка (или сильная) [ править ]

В приведенном выше описании предполагается, что константа связи мала по сравнению с разницей в частотах ЯМР между неэквивалентными спинами. Если разделение сдвигов уменьшается (или увеличивается сила связи), диаграммы интенсивности мультиплета сначала искажаются, а затем становятся более сложными и трудными для анализа (особенно, если задействовано более двух спинов). Усиление некоторых пиков в мультиплете достигается за счет остатка, который иногда почти исчезает в фоновом шуме, хотя интегральная площадь под пиками остается постоянной. Однако в большинстве высокопольных ЯМР искажения обычно невелики, и характерные искажения ( кровля ) действительно могут помочь идентифицировать связанные пики.

Некоторые из этих моделей могут быть проанализированы с помощью метода , опубликованного Джон Попла , [16] , хотя оно имеет ограниченные возможности.

Эффекты второго порядка уменьшаются по мере увеличения разности частот между мультиплетами, так что спектры ЯМР с высоким полем (т.е. высокочастотные) демонстрируют меньше искажений, чем спектры с более низкими частотами. Ранние спектры на 60 МГц были более подвержены искажениям, чем спектры от более поздних машин, обычно работающих на частотах 200 МГц или выше.

Магнитная неэквивалентность [ править ]

Дополнительная информация: Магнитная неэквивалентность

Более тонкие эффекты могут возникать, если химически эквивалентные спины (т. Е. Ядра, связанные симметрией и, следовательно, имеющие одинаковую частоту ЯМР) имеют разные отношения связи с внешними спинами. Спины, которые химически эквивалентны, но не являются неотличимыми (на основе их отношений сцепления), называются магнитно-неэквивалентными. Например, 4 H-центры 1,2-дихлорбензола делятся на две химически эквивалентные пары по симметрии, но отдельный член одной из пар имеет разные связи со спинами, составляющими другую пару. Магнитная неэквивалентность может привести к очень сложным спектрам, которые можно проанализировать только с помощью компьютерного моделирования. Такие эффекты чаще встречаются в спектрах ЯМР ароматических и других негибких систем,в то время как конформационное усреднение связей C-C в гибких молекулах имеет тенденцию выравнивать связи между протонами на соседних атомах углерода, уменьшая проблемы с магнитной неэквивалентностью.

Корреляционная спектроскопия [ править ]

Дополнительная информация: 2D-ЯМР

Корреляционная спектроскопия - это один из нескольких типов двумерной спектроскопии ядерного магнитного резонанса (ЯМР) или 2D-ЯМР . Этот тип ЯМР эксперимент лучше всего известен своей аббревиатурой , УЮТ . Другие типы двумерного ЯМР включают J-спектроскопию, обменную спектроскопию (EXSY), ядерную спектроскопию эффекта Оверхаузера (NOESY), полную корреляционную спектроскопию (TOCSY) и эксперименты с гетероядерной корреляцией, такие как HSQC , HMQC и HMBC.. В корреляционной спектроскопии излучение сосредоточено на пике отдельного ядра; если его магнитное поле коррелирует с другим ядром посредством сквозной связи (COSY, HSQC и т. д.) или связи через пространство (NOE), отклик также может быть обнаружен на частоте коррелированного ядра. Двумерные спектры ЯМР предоставляют больше информации о молекуле, чем одномерные спектры ЯМР, и особенно полезны при определении структуры молекулы , особенно для молекул, с которыми слишком сложно работать с использованием одномерного ЯМР. Первый двумерный эксперимент, COSY, был предложен Жаном Джинером, профессором Свободного университета Брюсселя, в 1971 году. [17] [18] Этот эксперимент позже был реализован Уолтером П. Ауэ, Энрико Бартольди иРичард Р. Эрнст , опубликовавший свою работу в 1976 г. [19]

Твердотельный ядерный магнитный резонанс [ править ]

Твердотельный ЯМР-спектрометр 900 МГц (21,1 Тл [20] ) в Канадской национальной лаборатории ЯМР в сверхвысоких полях для твердых тел
Дополнительная информация: твердотельный ЯМР

Разнообразие физических обстоятельств не позволяет изучать молекулы в растворах, и в то же время другими спектроскопическими методами на атомном уровне тоже. В твердофазных средах, таких как кристаллы, микрокристаллические порошки, гели, анизотропные растворы и т. Д., Именно диполярное взаимодействие и анизотропия химического сдвига становятся доминирующими в поведении ядерных спиновых систем. В традиционной ЯМР-спектроскопии в растворе эти дополнительные взаимодействия привели бы к значительному уширению спектральных линий. Разнообразие методов позволяет установить условия высокого разрешения, которые, по крайней мере, для спектров 13 C, могут быть сопоставимы со спектрами ЯМР в растворе.

Двумя важными концепциями твердотельной ЯМР-спектроскопии высокого разрешения являются ограничение возможной ориентации молекул ориентацией образца и уменьшение анизотропных ядерных магнитных взаимодействий путем вращения образца. Из последнего подхода очень заметным методом является быстрое вращение вокруг магического угла , когда система состоит из ядер со спином 1/2. Скорость отжима ок. Используется 20 кГц, что требует специального оборудования. В настоящее время в ЯМР-спектроскопии используется ряд промежуточных методов с образцами частичного выравнивания или пониженной подвижности.

Приложения, в которых проявляются эффекты твердотельного ЯМР, часто связаны с исследованиями структуры мембранных белков, белковых фибрилл или всех видов полимеров и химическим анализом в неорганической химии, но также включают «экзотические» применения, такие как листья растений и топливные элементы. Например, Rahmani et al. исследовали влияние давления и температуры на самосборку бицеллярных структур с помощью спектроскопии ЯМР дейтерия. [21]

Биомолекулярная ЯМР-спектроскопия [ править ]

Белки [ править ]

Основная статья: Ядерно-магнитно-резонансная спектроскопия белков

Многие инновации в ЯМР-спектроскопии относятся к области ЯМР- спектроскопии белков , важного метода в структурной биологии . Общей целью этих исследований является получение трехмерных структур белка с высоким разрешением, аналогичных тем, которые могут быть достигнуты с помощью рентгеновской кристаллографии . В отличие от рентгеновской кристаллографии, ЯМР-спектроскопия обычно ограничивается белками размером менее 35 кДа , хотя были решены более крупные структуры. ЯМР-спектроскопия часто является единственным способом получить информацию с высоким разрешением о частично или полностью внутренне неструктурированных белках . Теперь это обычный инструмент для определения отношений конформационной деятельности.где структура до и после взаимодействия, например, с кандидатом в лекарство сравнивается с его известной биохимической активностью. Белки на порядки больше, чем небольшие органические молекулы, которые обсуждались ранее в этой статье, но также применимы основные методы ЯМР и некоторая теория ЯМР. Из-за гораздо большего количества атомов, присутствующих в молекуле белка по сравнению с небольшим органическим соединением, основные одномерные спектры становятся переполненными перекрывающимися сигналами до такой степени, что прямой спектральный анализ становится невозможным. Поэтому для решения этой проблемы были разработаны многомерные (2, 3 или 4D) эксперименты. Чтобы облегчить эти эксперименты, желательно изотопно пометить белок 13 C и 15 N.потому что преобладающий природный изотоп 12 C не является ЯМР-активным, а ядерный квадрупольный момент преобладающего природного изотопа 14 N препятствует получению информации с высоким разрешением от этого изотопа азота. Самый важный метод, используемый для определения структуры белков, использует эксперименты NOE для измерения расстояний между атомами внутри молекулы. Впоследствии полученные расстояния используются для создания трехмерной структуры молекулы путем решения задачи геометрии расстояния . ЯМР также можно использовать для получения информации о динамике и конформационной гибкости различных областей белка.

Нуклеиновые кислоты [ править ]

Основная статья: Ядерно-магнитно-резонансная спектроскопия нуклеиновых кислот

« ЯМР нуклеиновых кислот » - это использование ЯМР-спектроскопии для получения информации о структуре и динамике полинуклеиновых кислот , таких как ДНК или РНК . По состоянию на 2003 год почти половина всех известных структур РНК была определена с помощью ЯМР-спектроскопии. [22]

ЯМР-спектроскопия нуклеиновой кислоты и белка похожи, но существуют различия. Нуклеиновые кислоты имеют меньший процент атомов водорода, которые обычно наблюдаются в ЯМР-спектроскопии, и поскольку двойные спирали нуклеиновых кислот жесткие и примерно линейные, они не складываются сами по себе, давая «дальнодействующие» корреляции. [23] Типы ЯМР, обычно выполняемые с нуклеиновыми кислотами, включают 1 H или протонный ЯМР , 13 C ЯМР , 15 N ЯМР и 31 P ЯМР . Двумерный ЯМРпочти всегда используются методы, такие как корреляционная спектроскопия (COSY) и спектроскопия передачи полной когерентности (TOCSY) для обнаружения ядерных взаимодействий через сквозные связи и спектроскопия ядерного эффекта Оверхаузера (NOESY) для обнаружения взаимодействий между ядрами, которые находятся близко друг к другу в космосе. . [24]

Параметры, взятые из спектра, в основном кросс-пики NOESY и константы взаимодействия , можно использовать для определения локальных структурных особенностей, таких как углы гликозидной связи , двугранные углы (с использованием уравнения Карплюса ) и конформации сахарной складки. Для крупномасштабной структуры эти локальные параметры должны быть дополнены другими структурными допущениями или моделями, потому что ошибки складываются при прохождении двойной спирали, и, в отличие от белков, двойная спираль не имеет компактной внутренней части и не сворачивается назад. сам. ЯМР также полезен для исследования нестандартных геометрических форм, таких как изогнутые спирали , спаривание оснований не-Ватсона – Крика и коаксиальное наложение.. Это было особенно полезно для исследования структуры природных олигонуклеотидов РНК, которые имеют тенденцию принимать сложные конформации, такие как стержневые петли и псевдоузлы . ЯМР также полезен для исследования связывания молекул нуклеиновой кислоты с другими молекулами, такими как белки или лекарства, путем наблюдения за тем, какие резонансы смещаются при связывании другой молекулы. [24]

Углеводы [ править ]

Основная статья: Ядерно-магнитно-резонансная спектроскопия углеводов

Спектроскопия ЯМР углеводов решает вопросы о структуре и конформации углеводов . Анализ углеводов с помощью 1H ЯМР затруднен из-за ограниченного разнообразия функциональных групп, что приводит к резонансам 1H, сосредоточенным в узких полосах спектра ЯМР. Другими словами, имеется плохая спектральная дисперсия. Аномерные протонные резонансы отделены от других из-за того, что аномерные атомы углерода несут два атома кислорода. Для более мелких углеводов дисперсия аномерных протонных резонансов облегчает использование одномерных экспериментов TOCSY для исследования всей спиновой системы отдельных углеводных остатков.

См. Также [ править ]

  • Геометрия расстояния
  • ЯМР поля Земли
  • Магнитно-резонансная спектроскопия in vivo
  • Функциональная магнитно-резонансная спектроскопия головного мозга
  • ЯМР низкого поля
  • Магнитно-резонансная томография
  • ЯМР кристаллография
  • База данных спектров ЯМР
  • Пробирка ЯМР - включает раздел по пробоподготовке
  • ЯМР-спектроскопия стереоизомеров
  • Ядерно-магнитная резонансная спектроскопия белков
  • Ядерный квадрупольный резонанс
  • Магнит импульсного поля
  • Протонно-усиленная ядерная индукционная спектроскопия
  • Релаксация (ЯМР)
  • Спектроскопия ядерного магнитного резонанса тройного резонанса
  • ЯМР в нулевом поле

Родственные методы ядерной спектроскопии :

  • Эффект Мёссбауэра
  • Спиновая мюонная спектроскопия
  • Возмущенная угловая корреляция

Ссылки [ править ]

  1. ^ Структурная биология: практические приложения ЯМР (PDF) (2-е изд.). Springer. 6 сентября 2012. с. 67. ISBN 978-1-4614-3964-6. Проверено 7 декабря 2018 .
  2. ↑ Марк С. Райш (29 июня 2015 г.). "Пользователи спугнутого роста цен на приборы ЯМР" . CEN.
  3. ^ "Принимая это выше" . Ученый. 30 октября 2000 г.
  4. ^ Паудлер, Уильям (1974). Ядерный магнитный резонанс . Бостон: Серия химии Аллина и Бэкона. С. 9–11.
  5. ^ http://mriquestions.com/who-discovered-nmr.html
  6. ^ "Предпосылки и страница теории установки ядерного магнитного резонанса" . Аналитический центр Марка Уэйнрайта - Сиднейский университет Южного Уэльса. 9 декабря 2011 года Архивировано из оригинала 27 января 2014 года . Проверено 9 февраля 2014 .
  7. ^ Шах, N; Саттар, А; Benanti, M; Холландер, S; Cheuck, L (январь 2006 г.). «Магнитно-резонансная спектроскопия как инструмент визуализации рака: обзор литературы» . Журнал Американской остеопатической ассоциации . 106 (1): 23–27. PMID 16428685 . Архивировано из оригинала на 2013-04-07. 
  8. Перейти ↑ Johnson Jr., CS (1999). «Диффузионно-упорядоченная спектроскопия ядерного магнитного резонанса: принципы и приложения». Прогресс в спектроскопии ядерного магнитного резонанса . 34 (3–4): 203–256. DOI : 10.1016 / S0079-6565 (99) 00003-5 .
  9. ^ Neufeld, R .; Сталке, Д. (2015). «Точное определение молекулярной массы малых молекул с помощью DOSY-ЯМР с использованием внешних калибровочных кривых с нормализованными коэффициентами диффузии» . Chem. Sci. 6 (6): 3354–3364. DOI : 10.1039 / C5SC00670H . PMC 5656982 . PMID 29142693 .   
  10. ^ http://nmr.chem.wsu.edu/tutorials/basics/lock/
  11. ^ "Центр ЯМР-спектроскопии: Замок" . nmr.chem.wsu.edu .
  12. ^ «Артефакты ЯМР» . www2.chemistry.msu.edu .
  13. ^ Парелла, Теодор. «ИНВЕРСИОННО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ» . triton.iqfr.csic.es .
  14. ^ Джеймс Киллер. «Глава 2: ЯМР и уровни энергии» (перепечатано в Кембриджском университете ) . Понимание ЯМР-спектроскопии . Калифорнийский университет в Ирвине . Проверено 11 мая 2007 .
  15. ^ Отт, JC; Wadepohl, H .; Эндерс, М .; Гейд, LH (2018). «Принятие решения протонного ЯМР к его предельным возможностям: прогнозирование и обнаружение гидридного резонанса в комплексе железа с промежуточным спином». Варенье. Chem. Soc . 140 (50): 17413–17417. DOI : 10.1021 / jacs.8b11330 . PMID 30486649 . 
  16. ^ Попл, JA; Бернштейн, HJ; Шнайдер, WG (1957). «Анализ спектров ядерного магнитного резонанса». Может. J. Chem . 35 : 65–81. DOI : 10.1139 / v57-143 .
  17. Перейти ↑ Aue, WP (1976). «Двумерная спектроскопия. Приложение к ядерному магнитному резонансу». Журнал химической физики . 64 (5): 2229. Bibcode : 1976JChPh..64.2229A . DOI : 10.1063 / 1.432450 .
  18. ^ Джинер, Джин (2007). "Джинер, Жан: Воспоминания о первых днях 2D ЯМР". Энциклопедия магнитного резонанса . DOI : 10.1002 / 9780470034590.emrhp0087 . ISBN 978-0470034590.
  19. ^ Мартин, GE; Зектер, А.С., Двумерные методы ЯМР для установления молекулярной связи ; VCH Publishers, Inc: Нью-Йорк, 1988 (стр.59).
  20. ^ "Национальная установка сверхвысокого поля ЯМР для твердых тел" . Проверено 22 сентября 2014 .
  21. ↑ A. Rahmani, C. Knight и MR Morrow. Реакция на гидростатическое давление двухцеллярных дисперсий, содержащих анионный липид: встречное пересечение под давлением. 2013, 29 (44), стр 13481-13490, DOI : 10.1021 / la4035694
  22. ^ Фюртиг, Борис; Рихтер, Кристиан; Wöhnert, Jens; Швальбе, Харальд (2003). «ЯМР-спектроскопия РНК». ChemBioChem . 4 (10): 936–62. DOI : 10.1002 / cbic.200300700 . PMID 14523911 . 
  23. ^ Аддесс, Кеннет Дж .; Фейгон, Джули (1996). «Введение в 1 H ЯМР-спектроскопию ДНК». В Hecht, Сидней М. (ред.). Биоорганическая химия: нуклеиновые кислоты . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-508467-2.
  24. ^ a b Wemmer, Дэвид (2000). «Глава 5: Структура и динамика ЯМР». В Блумфилде, Виктор А .; Crothers, Donald M .; Тиноко, Игнасио (ред.). Нуклеиновые кислоты: структура, свойства и функции . Саусалито, Калифорния: Научные книги университета. ISBN 978-0-935702-49-1.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Джон Д. Робертс (1959). Ядерный магнитный резонанс: приложения к органической химии . Книжная компания McGraw-Hill. ISBN 9781258811662.
  • JAPople ; WGSchneider ; HJBernstein (1959). Ядерный магнитный резонанс высокого разрешения . Книжная компания McGraw-Hill.
  • А. Абрагам (1961). Принципы ядерного магнетизма . Кларендон Пресс. ISBN 9780198520146.
  • Чарльз П. Слихтер (1963). Принципы магнитного резонанса: на примерах из физики твердого тела . Харпер и Роу. ISBN 9783540084761.
  • Джон Эмсли ; Джеймс Фини; Лесли Ховард Сатклифф (1965). Спектроскопия ядерного магнитного резонанса высокого разрешения . Пергамон. ISBN 9781483184081.

Внешние ссылки [ править ]

  • Джеймс Килер. «Понимание ЯМР-спектроскопии» (перепечатано в Кембриджском университете ) . Калифорнийский университет в Ирвине . Проверено 11 мая 2007 .
  • Основы ЯМР - нетехнический обзор теории, оборудования и методов ЯМР, сделанный доктором Джозефом Хорнаком, профессором химии в RIT.
  • Библиотеки GAMMA и PyGAMMA - GAMMA - это библиотека C ++ с открытым исходным кодом, написанная для моделирования экспериментов по спектроскопии ядерного магнитного резонанса. PyGAMMA - это оболочка Python для GAMMA.
  • Relax Программное обеспечение для анализа динамики ЯМР
  • Vespa - VeSPA (Versatile Simulation, Pulses and Analysis) - это бесплатный программный пакет, состоящий из трех приложений Python. Эти инструменты на основе графического интерфейса пользователя предназначены для спектрального моделирования магнитного резонанса (МР), проектирования РЧ-импульсов, а также спектральной обработки и анализа данных МРТ.