Fosforová nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia
Fosforová nukleárna magnetická rezonančná spektroskopia alebo 31P NMR spektroskopia (často len ako 31P NMR) je spektroskopická metóda analytickej chémie, ktorá využíva nukleárnu magnetickú rezonanciu na štúdium organických zlúčenín, ktoré obsahujú fosfor. Fosfor sa bežne nachádza v organických zlúčeninách a koordinačných komplexoch (v podobe fosfánov), vďaka čomu je užitočné merať 31P NMR spektrá. 31P NMR spektroskopia meraná v roztoku je jedna z bežnejších NMR techník, pretože fosfor je monoizotopický prvok (teda 100 % jadier fosforu v prírode je 31P) a jeho jadro má relatívne vysoký gyromagnetický pomer. Okrem toho má jadro 31P spin ½, takže je tieto spektrá relatívne jednoduché interpretovať. Jediné ďalšie jadrá, ktorú sú aktívne v NMR, majú spin ½, sú vysoko senzitívne a monoizotopické (alebo aspoň takmer) sú 1H a 19F.[1][Pozn. 1]
Vlastnosti
[upraviť | upraviť zdroj]Gyromagnetický pomer je asi 40,5 % pomeru 1H, takže signály 31P NMR sú pozorované pri 202 MHz na 11,7 Tesla magnetoch (používaných pre 500 MHz 1H NMR merania). Štandardom pre chemický posun je 85% kyselina fosforečná (H3PO4), ktorej sa prisudzuje posun 0, pričom potom kladný posun predstavuje slabšie pole/vyššie frekvencie.[2] Kvôli nekonzistentnmu nukleárnemu Overhauserovmu efektu nie je možné použiť integrály na určenie počtu jadier.[2] Zvyčajne sa spektra zaznamenávajú bez interakcie s protónmi, tzv. protón-dekaplované fosforové NMR spektrá označované {1H}31P-NMR.
Dohody, ktoré platia pre 31P NMR (a iné jadrá), sa zmenili v roku 1975, odkedy sa zmenilo znamienko chemického posunu: „Bezrozmerné škály by mali byť definované s kladnými hodnotami v smere vyššej frekvencie (slabšieho poľa).“ Články spred tohto roku teda majú zvyčajne opačné znamienko.[3]
Chemické posuny fosforu v zlúčeninách
[upraviť | upraviť zdroj]Pre každú zlúčeninu obsahujúcu v svojej štruktúre fosfor musí byť premerané fosforové NMR spektrum, pričom sa zvyčajne meria protón-dekaplované fosforové NMR spektrum. Chemické posuny zlúčenín fosforu majú rozsah až 700 ppm, čo umožňuje rozlíšiť chemické posuny aj veľmi príbuzných zlúčenín.Chemické posuny fosforu sú ovplyvňované elektrónovou hustotou v okolí jadra 31P: elektrónová hustota v okolí jadra fosforu je ovplyvňovaná oxidačným číslom fosforu, mierou iónového/kovalentného charakteru väzby P-X a rádom väzby (P-X vs. P=X).[4] Chemické posuny fosforu sa referencujú voči 85 % vodnému roztoku kyseliny fosforečnej umiestnenej v zatavenej kapiláre ako externý štandard.[4]
| P(III) | Názov | Chemický posun δ/ppm | Zdroj |
|---|---|---|---|
| PF3 | fluorid fosforitý | +97 | [4] |
| PCl3 | chlorid fosforitý | +220 | [4] |
| PBr3 | bromid fosforitý | +29 | [4] |
| PI3 | jodid fosforitý | +178 | [4] |
| PH3 | fosfán | -238 | [4] |
| PH2(Ph) | monofenylfosfín | -122 | [4] |
| PH(Ph)2 | difenylfosfín | -41 | [4] |
| P(Ph)3 | trifenylfosfín | -8 | [4] |
| PH2(Me) | monometylfosfín | -164 | [4] |
| PH(Me)2 | dimetylfosfín | -99 | [4] |
| P(Me)3 | trimetylfosfín | -62 | [4] |
| P(NMe2)3 | trimetylazafosfit | +122 | [4] |
| P(SMe)3 | trimetylsufafosfit | +125 | [4] |
| P(OMe)3 | trimetylfosfit | +141 | [4] |
| P(IV) | Názov | Chemický posun δ/ppm | Zdroj |
|---|---|---|---|
| O=PF3 | fluorid fosforylu | -36 | [4] |
| O=PCl3 | chlorid fosforylu | +2 | [4] |
| O=PBr3 | bromid fosforylu | -103 | [4] |
| S=PCl3 | chlorid tiofosforylu | +29 | [4] |
| S=PBr3 | bromid tiofosforylu | -112 | [4] |
| S=P(Me)3 | trimetylfosfínsulfid | +59 | [4] |
| S=P(OMe)3 | trimetyloxyfosfínsulfid | +73 | [4] |
| O=P(OH)2OR | monoester kyseliny fosforečnej | +3 | [4] |
| O=P(OH)(OR)2 | diester kyseliny fosforečnej | +2 | [4] |
| (OH)2(O=)P-O-P(=O)(OH)OR | monoester kyseliny pyrofosforečnej | -6 (fosfor bez alkylu); -10 (fosfor s alkylom) | [4] |
| RO(OH)(O=)P-O-P(=O)(OH)OR | diester kyseliny pyrofosforečnej | -35 (obidva fosfory kvôli symetrii) | [4] |
| (OH)2(O=)P-O-(OH)(O=)P-O-P(=O)(OH)OR | monoester kyseliny trifosforečnej | -5 (terminálny fosfor); -19 (stredný fosfor); -10 (fosfor s alkylom) | [4] |
| RO(OH)(O=)P-CH2OR | fosfonát | +15 až +30 | [5] |
| (OH)2(O=)P-CH2-(OH)(O=)P-O-P(=O)(OH)OR | fosfonátový izostér monoesteru kyseliny trifosforečnej | +14 (terminálny fosfor); +8 (stredný fosfor); -11 (fosfor s alkylom) | [4] |
| (OH)2(O=)P-O-(OH)(O=)P-CH2-P(=O)(OH)OR | fosfonátový izostér monoesteru kyseliny trifosforečnej | -8 (terminálny fosfor); +5 (stredný fosfor); +18 (fosfor s alkylom) | [4] |
| P(V) | Názov | Chemický posun δ/ppm | Zdroj |
|---|---|---|---|
| PF5 | fluorid fosforečný | -35 | [4] |
| PCl3 | chlorid fosforečný | -80 | [4] |
| PBr3 | bromid fosforečný | -101 | [4] |
| P(OEt)5 | pentaoxyetylfosforu | -71 | [4] |
| P(Ph)5 | pentafenylfosforu | -89 | [4] |
Interakčné konštanty fosforu v zlúčeninách
[upraviť | upraviť zdroj]Interakčné konštanty fosforu majú obrovský rozsah od 0 Hz až po 4000 Hz.[4] Veľkosť interakčnej konštanty J(P,X)závisí od oxidačného čísla fosforu.[4] Interakčné konštanty fosforu našli využitie pri štúdiu nukleotidov: geminálne interakcie 2J(P-O-P)dosahujú 20 Hz a objavujú sa v protón dekaplovaných fosforových spektrách.
| P(III) | P(IV) | P(V) | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Typ zlúčeniny | Typ interakčnej konštanty | Rozsah interakčných konštánt | Zdroj | Typ zlúčeniny | Typ interakčnej konštanty | Rozsah interakčných konštánt | Zdroj | Typ zlúčeniny | Typ interakčnej konštanty | Rozsah interakčných konštánt | Zdroj |
| Priame interakčné konštanty fosforu 1J(P,X) s atómami fosforu, vodíka, uhlíka a fluóru | |||||||||||
| R2P-PR2 | 1J(P,P) | 100 - 400 Hz | [4] | ||||||||
| R2P-H | 1J(P,H) | 180 - 225 Hz | [4] | R3P+-H | 1J(P,H) | 490 - 600 Hz | [4] | R4P-H | 1J(P,H) | 700 - 1000 Hz | [4] |
| R2P-C | 1J(P,C) | 0 - 40 Hz | [4] | R3P-C | 1J(P,C) | 50 - 305 Hz | [4] | ||||
| R2P-F | 1J(P,F) | 820 - 1450 Hz | [4] | R2XP-F, X = O,S | 1J(P,F) | 820 - 1450 Hz | [4] | R4P-F | 1J(P,F) | 530 - 1100 Hz | [4] |
| Geminálne interakčné konštanty fosforu 2J(P,X) s atómami fosforu, vodíka, uhlíka a fluóru | |||||||||||
| R2P-X-P,
X = O,S |
2J(P,P) | 70 - 90 Hz | [4] | R3P-O-P | 2J(P,P) | 0 - 23 Hz | [4] | ||||
| R2P-C-H | 2J(P,H) | 0 - 18 Hz | [4] | R2XP-C-H | 2J(P,H) | 7 - 30 Hz | [4] | R4P-C-H | 2J(P,H) | 10 - 18 Hz | [4] |
| R2P-X-C | 2J(P,C) | (X=C)12-20Hz
(X=O)10-12Hz |
[4] | R3P-O-C | 2J(P,C) | 6 Hz | [4] | ||||
| R2P-C-F | 2J(P,F) | 40 - 150 Hz | [4] | R2XP-C-F | 2J(P,F) | 100 - 130 Hz
(X = O,S) |
[4] | R4P-C-F | 2J(P,F) | 120 - 190 Hz | [4] |
| Vicinálne interakčné konštanty fosforu 3J(P,X) s atómami fosforu, vodíka, uhlíka a fluóru | |||||||||||
| R2P-O-C-H | 3J(P,H) | 0 - 15 Hz | [4] | R3P-O-C-H | 3J(P,H) | 0 - 13 Hz | [4] | R4P-O-C-H | 3J(P,H) | 12 - 17 Hz | [4] |
| R2P-C-C-H | 3J(P,H) | 10 -16 Hz | [4] | R3P-C-C-H | 3J(P,H) | 14 - 25 Hz | [4] | R4P-C-C-H | 3J(P,H) | 20 - 27 Hz | [4] |
| R2P-S-C-H | 3J(P,H) | 2 - 20 Hz | [4] | R3P-S-C-H | 3J(P,H) | 16 - 20 Hz | [4] | R4P-S-C-H | 3J(P,H) | 13 - 25 Hz | [4] |
| R2P-N-C-H | 3J(P,H) | 3 - 14 Hz | [4] | R3P-N-C-H | 3J(P,H) | 9 - 17 Hz | [4] | R4P-N-C-H | 3J(P,H) | 2 - 15 Hz | [4] |
Použitie
[upraviť | upraviť zdroj]31P NMR sa využíva na určovanie štruktúry novo pripravených látok obsahujúcich fosfor, umožňuje využitie 31P NMR parametrov na určenie konfigurácie látok pomocou NMR spektier meraných v roztoku aj v kvapalných kryštáloch. Meranie v kvapalných kryštáloch poskynuje navyše informáciu o dipolárnych interakciách, ktoré v roztoku nemožno pozorovať, pretože sú rýchlymi reorientáciami molekúl spriemerované k nule.[chýba zdroj]
Biomolekulárne použitie
[upraviť | upraviť zdroj]31P NMR spektroskopia sa bežne používa na štúdium fosfolipidových dvojvrstiev v prirodzených podmienkach. Analýza[6] 31P NMR spektier lipidov umožňuje zisk mnohých informácií o tvorbe a tvare dvojvrstiev, fázových premenách (gélový fáza, fyziologický tekutý kryštál, nedvojvrstvové fáze...), orientácií a dynamike lipidov a elastických vlastnostiach čistých lipidových dvojvrstiev a zmeny pri naviazaní bielkovín a iných biomolekúl.
Diagnostika
[upraviť | upraviť zdroj]31P NMR možno použiť na diagnosticku rôznych porúch a chorôb, napríklad McArdleovej choroby[7] alebo nádorov mozgu.[8]
Poznámky
[upraviť | upraviť zdroj]- ↑ Jadrá 89Y, 103Rh a 169Tm sú takisto monoizotopické a majú spin ½, ale majú veľmi nízke magnetogyrické pomery.
Referencie
[upraviť | upraviť zdroj]- ↑ HARRIS, Robin Kingsley; MANN, Brian E.. NMR and the periodic table. [s.l.] : [s.n.]. ISBN 0123276500. S. 13.
- ↑ a b Roy Hoffman. 31Phosphorus NMR [online]. Hebrew University, 2007. Dostupné online.
- ↑ IUPAC 1975 Presentation of NMR data for publication in chemical journals - B. conventions relating to spectra from nuclei other than protons
- ↑ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x y z aa ab ac ad ae af ag ah ai aj ak al am an ao ap aq ar as at au av aw ax ay az ba bb bc bd be bf bg bh bi bj bk bl bm bn bo bp BUDĚŠÍNSKY, Miloš; KOHOUT, Ladislav; PELNAŘ, Jan. Fyzikálně chemické metody (Nukleární magnetická rezonance). Praha : Ústav organické chemie a biochemie AV ČR, 2000. ISBN 80-86241-07-6. S. 118-121.
- ↑ SANNIGRAHI, Poulomi; INGALL, Ellery. Polyphosphates as a source of enhanced P fluxes in marine sediments overlain by anoxic waters: Evidence from 31P NMR. Geochemical Transactions, 2005-11, roč. 6, čís. 3. Dostupné online [cit. 2024-10-12]. ISSN 1467-4866. DOI: 10.1186/1467-4866-6-52. (po anglicky)
- ↑ Dubinnyi MA; Lesovoy DM; Dubovskii PV. Modeling of 31P-NMR spectra of magnetically oriented phospholipid liposomes: A new analytical solution. Solid State Nucl Magn Reson, Jun 2006, s. 305–311. DOI: 10.1016/j.ssnmr.2005.10.009. PMID 16298110. [nefunkčný odkaz]Šablóna:Cbignore
- ↑ RADDA, George K.. Control of bioenergetics: from cells to man by phosphorus nuclear-magnetic-resonance spectroscopy [online]. Biochemical Society Transactions, [cit. 2023-12-23]. Dostupné online.
- ↑ SOLIVERA, Juan; CERDÁN, Sebastián; PASCUAL, José María. Assessment of 31 P‐NMR analysis of phospholipid profiles for potential differential diagnosis of human cerebral tumors. NMR in Biomedicine, 2009-07, roč. 22, čís. 6, s. 663–674. Dostupné online [cit. 2023-12-23]. ISSN 0952-3480. DOI: 10.1002/nbm.1387. (po anglicky)
Zdroj
[upraviť | upraviť zdroj]
Tento článok je čiastočný alebo úplný preklad článku Phosphorus-31 nuclear magnetic resonance na anglickej Wikipédii.