תמ"ג חנקן

הערה בטיחות: חלק מהחומרים שהזכרנו כאן הם מאוד מסוכנים. תשאל כימאי מוסמך לעצה לפני הטיפול בהם. כימאי מוסמך צריך לבדוק את הבטיחות ספרות רלוונטית לפני הטיפול או מתן ייעוץ על חומרים מוכרים. ממיסי תמ"ג רעילים ורובם דליקים. באופן ספציפי, אמוניה היא רעילה הנוזל בלחץ בטמפרטורת החדר: יש לעבוד במנדף. אשלגן חנקתי עלולה להיות רעילים: להשתמש בכפפות מגן.

Back to top of page

תמ"ג חנקן

לחנקן יש שני גרעיני תמ"ג פעילים  (תרשים 1). 15Nנותן קווים חדים אבל הוא מאוד לא רגיש.  14Nהוא גרעין בעל רגישות בינונית אבל אותות שלה מתרחבים באופן משמעותי בדרך כלל על ידי אינטראקציות ארבע-קוטביות לפעמים עד כדי כך הם לא ניתנים לצפייה בספקטרומטר תמ"ג להפרדה גה.

תרשים 1. השוואה של ספקטרומים  14N ו-15N של אוריאה. אות ה-14N מאוד רחב כי הוא ארבע-קוטב.

Chemical shift ranges of nitrogen NMR

ניתוח אופייני של ספקטרום תמ"ג חנקן מורכב מהתאמת היסטים כימיים צפוים (תרשים 2) לקבוצות פונקציונליות צפויות. שירות התמ"ג שלנו מספק תמ"ג 14N ו-15N יחד עם שיטות תמ"ג רבות אחרות. כל סוג של אות בעל טווח היסט כימי אופייני שיכול לשמש לפענך. טווחי היסט הכימי זהים עבור שני איזוטופי חנקן. IUPAC ממליץ CH3NO2 (90%) ב-CDCl3 כתקן היסט כימי לשני הגרעינים (14N ו-15N). עם זאת, רוב המומחים בספקרוסקופיה מייחסים ספקטרה חנקן ל-NH3 נוזלי ו-IUPAC ממליץ עליו כתחליף עבור 15N. כאן, היסטים הכימיים מיוחסים ל-NH3 נוזלי (בלחץ) ב-‎25°C‌ למרות שזה נגד המלצות IUPAC עבור 14N. כדי להמיר היסטים כימיים של 15N אל תקן IUPAC ה-CH3NO2, יש לחסר 380.5 חל"מ ועבור 14N, יש לחסר 381.6 חל"מ.

תרשים 2. טווחי היסט כימי של חנקנים לפי הסביבה הכימית שלהם

טווחי היסט כימי לתמג של חנקן

בחר את המבנה הזה צמוד ביותר מייצג את החנקן הנדרש.

חזרה לראש העמוד

תמ"ג 14N

ניסוי תמ"ג ה-14חנקן חד-מימדי הוא הרבה פחות רגיש מאשר פרוטון (1H) אבל יש טווח היסט כימי הרבה יותר גדול. האותות שלו הם הורחבו על ידי אינטראקציות ארבע-קוטביים. ככל שהמולקולה גדול יותר וככל הסביבתה של החנקן פחות סימטרי, כך האות יותר הרחב. לפיכך, יון האמוניום המימית הקטן והמאוד סימטרי נותן קו חד מאוד (תרשים 3), פחות הרץ אחד רחב. אות אמוניה נוזלי, בהיותה פחות סימטרית, היא 16 הרץ רחב (על ספקטרומטר 400 MHz בטמפרטורת החדר). האוריאה הוא גדול ולא סימטרית לכן רוחב הקו הוא כ-1 קילוהרץ. מולקולות שהן באופן משמעותי גדול יותר אוריאה מניבות אותות רחבות מכדי להיראות עם ספקטרומטר תמ"ג ברזולוציה גבוהה. עם זאת, טווח היסט הכימי של חנקן הוא רחב ולכן ניתן להשתמש בקלות להבחנה מינים שונים של חנקן עבור מולקולות קטנות מאוד.

תרשים 3. השוואה בין קו רוחב 14N אותות. כל עוד המולקולה גדול יותר ופחות סימטרי, כך האות רחב יותר.

רוחבי קו של 14N line-widths

צימוד בין-גרעיני הוא נדיר עם 14Nבגלל התרחבות ארבע-קוטבית. ניתן להבחין בה בפרוטונים שח יון אמוניום (תרשימים 4, 5) בטמפרטורת החדר ואמוניה נוזלי בטמפרטורות נמוכות. אותות ניטרילים של פחמן ופרוטוני NH הם מורחבים לעתים קרובות על ידי צימוד שיורית ל- 14N.

תרשים 4. ספקטרום 1H בשכיחות טבעית של (‌NH4Cl 1.5 M)‏ ב-1M HCl/H2O מראה צימוד ל-14N כטריפלט (ספין 1) צימוד עם 15N כדובלט חלש. שים לב שקבוע הפיצול של 14N קן מזה של 15N בגלל התדר הנמוך יותר של 14N.

ספקטרום 1H עם צימוד ל-N

תרשים. 5. NH4Cl (1.5 M) ב-1M HCl/H2O שמראה צימוד ל-1H כקוינטט בגלל נוכות ארבע פרוטונים בצורת צימוד AX4.

ספקטרום 14N עם צימוד ל- 1H

חזרה לראש העמוד

תכונות 14N

(הסברים נוספים)

תכונהערך
ספין1
שכיחות בטבע99.63%
תחום ההיסט הכימי‎900 ppm‌, בין 0 ל-900
יחס התדירויות (Ξ)7.226317% (NH3 7.223561%)
חומר יחוס (נקודת אפס יחסית)90% CH3NO2 ב-CDCl3
רוחב פס של חומר הייחוס16 הרץ
זמן התפוגה T1 של חומר הייחוס0.2 שניות
רגישות יחסית ל-1H בשכיחות טבעית‎1.01×10-3
רגישות יחסית ל-1H כאשר מועשר‎1.01×10-3
רגישות יחסית ל-13C בשכיחות טבעית5.74
רגישות יחסית ל-13C כאשר מועשר5.74
פרמטר רוחב פס‎21 fm4

חזרה לראש העמוד

15N NMR

הניסוי תמ"ג החד-מימדי של 15חנקן הוא הרבה פחות רגיש מאשר פרוטון (1H) ו-13פחמן. כתוצאה מכך, רק לעתים נדירות 15חנקן הוא רגיש מספיק וצריך להשתמש השלכה של המתאה בין-גרעינית (טווח קצר וטווח ארוך) כדי לשפר את הרגישות (תרשים 6). על מנת לקבל המתאה בין-גרעינית בטווח קצר, פרוטוני ה-NH חייבת להיות במצב של חילוף איטי ולא מותמרים בדוטריום. זה מונע שימוש בממסים כגון D2O אלכוהול. מנהג נפוץ בביוכימיה הוא או להשתמש בממסים שאינם מחליפים כגון DMSO-d6 או 1:9 D2O/H2O בשילוב עם טכניקות הדעכת מים. התאמה בין-גרעינית ארוך טווח מחייבת אותות פרוטון מאוד חדות של כשניים או שלושה קשרים שלמעשה מגביל את רוחב הקן של פרוטון ל-3 הרץ אבל יש את היתרון של לא דורש נוכחות של אותות חדות של NH עצמו.

תרשים 6. ספקטרום תמ"ג 15N של ציקךוספורין (A (25mM ב-DMSO-d6 הנובע מהשלכה של התאמה בין-גרעינית. הספקטרום האדום העליון כולל חנקנים הקשורים ישירות למימן. הספקטרום האדום התחתון כולל סיגנלים חלשים מהתאמות רב-קשרי ומדכה חנקנים שאין להם התאמות רב-קשריות.

ספקטרומים 15N מהשלכות

ניסוי תמ"ג החד-מימדי של 15חנקן נותן קווים צרים בטווח גדול של היסט כימי. השכיחות הטבעית נמוכה (0.37%) ועושה את הרגישות הנמוכה שלו אפילו יותר גרוע לכן הוא מועשר לעתים קרובות עבור תמ"ג.

פענוח אופייני של ספקטרום תמ"ג 15N מורכב התאמה היסטים כימיים צפויים למינים צפויים. דוגמה פשוטה היא של אזיד הנתרן (תרשים 6) שבו החנקן במרכז יש היסט כימי שונה מהחנקנים בקצים.

תרשים 6. ספקטרום תמ"ג 15N של אזיד הנטרן (1M) ב-D2O

ספקטרום 15N של NaN3

תחליף לשימוש בריכוזים גבוהים הכרח למולקולות גדולות הוא להעשיר עם 15N. עם זאת, זה מאוד יקר ואת עלות הכנת הדוגמה בתרשים 7 הוא כמה אלפי דולרים.

תרשים 7. ספקטרום תמ"ג 15N של פרוטיאז HIV-1 מועשר.

ספקטרום 15N פרוטיאז HIV-1 מועשר

הפרת צימוד גורמת ל-NOE שלילית, מפחיתה או הופכת את האות (תרשים 8). כדי למנוע זאת, ניסוי ה-DEPT או השהיות לרלקסציה ארוכות מאוד של דקות או יותר נדרשות.

תרשים 8. ספקטרום תמ"ג 15N עם הפרת צימוד של פרוטיאז HIV-1 מועשר המראה היפוך האות כתוצאה מ-NOE שלילי. האות בצד ימין אינו קשר לפרוטון ואינו נהפך.

ספקטרום 15N עם הפרת צימוד של פרוטיאז HIV-1 מועשר המראה היפוך כתוצאה מ-NOE

צימוד בין-גרעיני נראה בפרוטונים. צימוד חד-קשרי הם בסדר גודל של 90 הרץ צימוד קטנים יותר דרך 2, 3 ו-4 קשרים נצפו. במקרים מסוימים, ניתן להבחין באותות הלוויין חלשות מאוד בספקטרום של 1H אותות NH (תרשים 9), וניתן להשתמש בן כדי לאשר את הפענוך של אותות ה-NH.

תרשים 9. ספקטרום ה-1H של אוריאה בשכיחות טבעית (5 mM) ב-DMSO-d6. האות מראה התרחבות הנובעת מצימוד שיורית ל-14N ולווינים המצמידים ל-15N. הלוויינים בשילוב עם הרחבת האות הראשי הם סימן טוב לאות NH בספקטרום 1H.

פרוטון NH שמראה צימוד לחנקן

חזרה לראש העמוד

15N DEPT

ניתן לשפר את הרגישות של של 15N באמצעות ניסוי DEPT (תרשים 10), אולם, החקנים שלא קשורים לפרוטונים מודחקים.

תרשים 10. ספקטרופ 15N DEPT של פרוטיאז של HIV-1 מועשר. הניסוי הרבה יותר רגיש וניתן לאסוף אותו מהר יותר אבל רק חקנים קשורים לפורטונים מופיעים.

ספקטרום 15N DEPT של פרוטיאז של HIV-1 מועשר

חזרה לראש העמוד

תכונות 15N

(הסברים נוספים)

תכונהערך
ספין½
שכיחות בטבע0.37
תחום ההיסט הכימי‎900 ppm‌, בין 0 ל-900
יחס התדירויות (Ξ)10.136767% או 10.1329111%
חומר יחוס (נקודת אפס יחסית)90% CH3NO2 ב-CDCl3 או NH3 נוזל
רוחב פס של חומר הייחוס0.2 הרץ
זמן התפוגה T1 של חומר הייחוס5 שניות
רגישות יחסית ל-1H בשכיחות טבעית‎3.85×10-6
רגישות יחסית ל-1H כאשר מועשר‎1.03×10-3
רגישות יחסית ל-13C בשכיחות טבעית0.0219
רגישות יחסית ל-13C כאשר מועשר5.91

חזרה לראש העמוד

תמ"ג חנקן, שירות התמ"ג שלנו, 14N, תכונות 14N, 15N, תכונות 15N, 15N DEPT, תמ"ג חד-מימדי, שיטות תמ"ג, חזרה אל דף הבית

©Roy Hoffman and Yair Ozery, The Hebrew University, Revised 2009-12-01T12:43+02