Spektroskopia NMR jest powszechnie stosowana do charakteryzowania procesów dynamicznych zachodzących wewnątrz cząsteczek lub między nimi. W przypadku wielu prostych przegrupowań wewnątrzcząsteczkowych wyznaczenie ΔG‡ jest tak proste, jak pomiar różnicy częstotliwości, Δν, między dwoma rezonansami w granicy powolnej wymiany i określenie temperatury koalescencji dla tych samych rezonansów (Rycina 1)1. Zależność ta,
ΔG‡ = 4.575 x 10-3 kcal/mol x Tc [9.972 + log (Tc/Δν)]
gdzie Tc jest temperaturą koalescencji dla pary rezonansów reprezentujących powolną formę wymiany dynamicznej próbki, może zostać wykorzystana do obliczenia wolnej energii aktywacji dla takiej dynamicznej reorganizacji. Bardziej złożone układy dynamiczne wymagają dopasowania kształtu linii dynamicznych widm NMR lub zastosowania innej techniki NMR, takiej jak dwuwymiarowa spektroskopia wymiany (2D-EXSY) lub dwuwymiarowa spektroskopia efektu Overhausera w wirującej ramie (2D-ROESY), w celu oszacowania parametrów aktywacji.

Rysunek 1: Widma NMR dla roztworu ReH5(PPh3)2(sec-butyl amine) w d8-toluenie w dwóch temperaturach. Różnica częstotliwości między dwoma dubletami wolnej wymiany (dolna linia, 117,8 Hz) i temperatura koalescencji wynosząca 250 K (górna linia) odpowiadają barierze energetycznej (ΔG‡) wynoszącej 11,8 kcal/mol. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.
Dopasowanie kształtu linii w dynamicznych widmach NMR jest powszechną techniką, od dawna stosowaną do szacowania parametrów aktywacji opisujących dynamiczne przegrupowania substancji o energii aktywacji wynoszącej w przybliżeniu od 5 do 25 kcal/mol2,3,4,5. Wyznaczenie barier energetycznych dla wymiany protonów między wodą a cząsteczkami amin6, bariery energetycznej dla rotacji wokół wiązania C-N w dimetyloformamidzie7 czy ogólnych rozmiarów grup organicznych8 to tylko kilka przykładów wielu właściwości ocenianych poprzez dopasowanie kształtu linii w dynamicznych widmach NMR. Niniejszy artykuł demonstruje zastosowanie dopasowania kształtu linii do charakterystyki międzycząsteczkowych i wewnątrzcząsteczkowych procesów dynamicznych zachodzących w kompleksie ReH5(PPh3)2(sec-butyl amine). Celami tego i podobnych eksperymentów NMR z dopasowaniem kształtu linii są: 1) charakterystyka wszystkich obserwowalnych w NMR wewnątrzcząsteczkowych dynamicznych procesów wymiany atomów, jeśli występują, 2) identyfikacja i charakterystyka obserwowalnych w NMR wewnątrzcząsteczkowych dynamicznych procesów wymiany atomów, jeśli występują, 3) identyfikacja skorelowanych wewnątrzcząsteczkowych wymian atomów, które w tym przykładzie dotyczą zarówno atomów wodoru, jak i fosforu, oraz 4) w przedstawionym tutaj przykładzie, porównanie dwóch opublikowanych modeli procesów dynamicznych zachodzących w kompleksie ReH5(PPh3)2(sec-butyl amine).
Ośmiocoordynacyjne układy poliwodorowe renu(V) są złożonymi układami dynamicznymi, w których ligandy uczestniczą w wielu procesach dynamicznych, a atomy fosforu mogą brać udział w pojedynczym procesie dynamicznym będącym drugim aspektem procesu wymiany ligandów wodorowych9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,
27,28,29. Ośmiocoordynacyjne, pseudododekaedryczne kompleksy poliwodorowe renu(V) przyjmują geometrię cząsteczkową (Rycina 2), którą można opisać jako parę ortogonalnych trapezów ligandów17,26. Wierzchołki na dłuższych krawędziach trapezów są powszechnie określane jako miejsca B i w kompleksach poliwodorowych renu są to zazwyczaj miejsca zajęte przez obojętne ligandy dwuelektronowe, takie jak fosfiny trzeciorzędowe lub ligandy aminowe. Wierzchołki na krótszych krawędziach trapezów są powszechnie określane jako miejsca A i są one zazwyczaj zajęte przez anionowe, dwuelektronowe ligandy wodorowe. Widma NMR kompleksów poliwodorowych renu(V) w temperaturze pokojowej są zazwyczaj myląco proste ze względu na kilka procesów dynamicznych zachodzących w roztworach w temperaturze pokojowej.

Rycina 2: Dodekaedryczny zestaw koordynacyjny (po lewej) oraz kompleks ReH5(PPh3)2(sec-butyl amine) z tej samej perspektywy (po prawej). Miejsca zaznaczone kolorem czerwonym reprezentują centra koordynacyjne tworzące trapez pionowy, a miejsca zaznaczone kolorem niebieskim reprezentują centra koordynacyjne tworzące trapez poziomy. Aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny, kliknij tutaj.
Kompleksy o wzorze ReH5(PPh3)2(amina) stanowią najdokładniej zbadaną klasę kompleksów polowodorowych renu pod kątem procesów dynamicznych9,10,12,13,16,30,31. Dla kompleksów ReH5(PPh3)2(amina) zidentyfikowano trzy procesy dynamiczne (Rycina 3): 1) wymianę protonu między jedynym ligandem wodorowym w pozycji B a protonem z cząsteczki wody (przypadkowej lub celowo dodanej)9,13, 2) wymianę typu „karuzela” (turnstile exchange) pary ligandów wodorowych w pozycji A z sąsiednim ligandem wodorowym w pozycji B9,11,13,30,31 oraz 3) inwersję steryczną (lub pseudorotację), która objawia się jako parzysta wymiana ligandów wodorowych w pozycji A i parzyste przemieszczenie atomów w pozycji B na przeciwną stronę centrum renu (jak pokazano na Rycini 4)4,5,6,8,26,27. Przemieszczenie atomów w pozycji B na przeciwną stronę renu jest obserwowalne za pomocą dynamicznej spektroskopii NMR jako: 1) proces, który sprawia, że nieekwiwalentne protony 3 i 5 w N = pirydynie stają się ekwiwalentne w temperaturze pokojowej10,30,31, 2) proces, który powoduje szybką wymianę izomerów E i Z ligandów N = niesymetrycznie podstawionych amin aromatycznych w temperaturze pokojowej9,10,13,30,31, lub 3) proces powodujący szybką wymianę perspektyw sterycznych diastereotopowej pary atomów fosforu względem centrum chiralnego znajdującego się na ligandzie aminowym9,30,31. Wcześniej nieopisywany kompleks chiralny ReH5(PPh3)2(sec-butylamina) daje możliwość ogólnego opisania metod, które mogą być wykorzystane do identyfikacji i charakterystyki dynamicznych przegrupowań kompleksów polowodorowych renu.

Rysunek 3: Przedstawienie procesów dynamicznych obserwowanych metodą spektroskopii NMR dla roztworów ReH5(PPh3)2(sec-butyl amine). Przedstawienie A obrazuje wymianę pojedynczego protonu wody zanieczyszczającej na unikalny ligand wodorkowy w pozycji B. Przedstawienie B obrazuje obrotową wymianę („turnstile exchange”) trzech sąsiednich ligandów wodorkowych, z których dwa znajdują się w pozycji A, a trzeci jest unikalnym ligandem wodorkowym w pozycji B. Przedstawienie C obrazuje zarówno parową wymianę ligandów wodorkowych w pozycji A, jak i inwersję steryczną atomów fosforu względem chiralnego ligandu aminowego (N*). Należy zauważyć, że parowa wymiana ligandów wodorkowych w pozycji A nie wymaga przesunięcia ligandów wodorkowych z pozycji A na przeciwną stronę centrum renu. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.
W przypadku układów chemicznych, takich jak kompleksy polowodorowe renu, wykazujących złożony zestaw procesów dynamicznych, dopasowanie kształtu linii (line shape fitting) dynamicznych widm NMR jest najczęściej stosowaną techniką NMR do charakteryzowania tych procesów9,11,13,16,21,29. Alternatywnymi technikami dynamicznego NMR, które mogą być również wykorzystane do ilościowego charakteryzowania procesów dynamicznych, są dwuwymiarowe EXSY9,32 lub 2D-ROESY11. Dwuwymiarowe widma EXSY są zazwyczaj pomiarzone w zakresie temperatur powolnej wymiany, natomiast dwuwymiarowe widma ROESY są zazwyczaj pomiarzone w zakresie temperatur szybkiej wymiany. Obie techniki dwuwymiarowe mogą wymagać znacznej ilości czasu w spektrometrze na akwizycję danych, ponieważ każda z tych technik gromadzi w danej temperaturze znacznie większy zestaw danych niż jednowymiarowe zestawy danych potrzebne do analizy dopasowania kształtu linii. Proste i dobrze znane procesy dynamiczne, takie jak dynamiczna wymiana dwóch grup metylowych w dimetyloformamidzie, mogą być łatwo scharakteryzowane za pomocą dowolnej z tych trzech technik NMR. Bardziej złożone układy, takie jak ReH5(PPh3)2(sec-butylamine), w których poszczególne ligandy wodorowe uczestniczą w wielu procesach dynamicznych, lub układy niekoniecznie dobrze znane, np. nowy kompleks polowodorowy metalu przejściowego, który może lub nie może wymieniać protonów między ligandem wodorowym a wodą zanieczyszczającą, są łatwiej i ilościowo charakteryzowane metodą NMR z dopasowaniem kształtu linii niż metodami dwuwymiarowego NMR. W przeciwieństwie do metod dwuwymiarowego NMR, metoda dopasowania kształtu linii zapewnia łatwo interpretowalną wizualizację zgodności między testowanym modelem a danymi eksperymentalnymi, a także wizualny dowód wymiany, w której ligand wodorowy przemieszcza się poza wewnętrzną sferę koordynacyjną renu. Na podstawie wysokości i kształtu pików w widmach powolnej wymiany nawet złożony układ dynamiczny, taki jak ReH5(PPh3)2(sec-butylamine), może pozwolić na łatwo testowalny wstępny zestaw modeli wymiany. Ponadto, gdy dla danej transformacji molekularnej zgłoszono wiele modeli teoretycznych, dopasowanie kształtu linii dynamicznych widm NMR pozwala na wizualne porównanie każdego modelu z obserwowanymi widmami.
Poza trzema wspomnianymi powyżej technikami NMR, eksperymenty NMR z podstawieniem izotopowym z użyciem D2O lub HD były stosowane do jakościowego wykazania międzycząsteczkowej wymiany atomów w złożonych układach polowodorek renu, jednak nie wykorzystywano ich do analiz ilościowych9,33,34,35. Obliczenia teoretyczne stanowią dodatkową metodę charakteryzacji procesów dynamicznych w złożonych układach dynamicznych30,31,36. Obliczenia teoretyczne mają przewagę nad dopasowaniem kształtu linii polegającą na tym, że mogą być wykorzystane do rozróżnienia możliwości, których nie da się odróżnić za pomocą analizy dopasowania kształtu linii. Na przykład obliczenia teoretyczne zostały wykorzystane do opisania wymiany obejmującej trzy sąsiednie ligandy wodorowe w niektórych kompleksach renu(V) jako wymianę typu turnstile wszystkich trzech ligandów wodorowych, a nie naprzemienną parę wymian parzystych, w których każda wymiana parzysta obejmowała jeden unikalny ligand wodorowy i jeden z dwóch chemicznie równoważnych ligandów wodorowych30,31. Wyniki obliczeń teoretycznych są zazwyczaj porównywane z eksperymentalnie zaobserwowanymi charakterystykami ilościowymi uzyskanymi za pomocą jednej z trzech wspomnianych wyżej technik NMR w celu weryfikacji poprawności obliczonych wyników.
Dopasowanie kształtu linii w dynamicznych widmach NMR wykorzystuje zmianę wyglądu widm NMR, która następuje, gdy jądra aktywne w NMR przemieszczają się między różnymi środowiskami chemicznymi podczas pomiaru NMR. Widma NMR w reżimie powolnej wymiany (widma z niezależnymi rezonansami lorentzowskimi dla każdego zestawu wymieniających się jąder) występują w temperaturach, w których różnica częstotliwości między rezonansami jąder podlegających wymianie jest duża w porównaniu z szybkością wymiany tych jąder37. Widma NMR w reżimie szybkiej wymiany (widma z pojedynczym rezonansem lorentzowskim dla wymieniających się jąder) występują w temperaturach, w których szybkość wymiany jąder jest znacznie większa niż różnica częstotliwości między rezonansami z reżimu powolnej wymiany37. Przejściowe szybkości wymiany występują w temperaturach pomiędzy zakresem temperatur powolnej wymiany a zakresem temperatur szybkiej wymiany37. Jeśli znane są parametry podstawowe, takie jak częstotliwość Larmora, przesunięcie chemiczne wymieniających się jąder, stałe sprzężenia (jeśli występują) dla wymieniających się jąder oraz względne populacje każdego typu jądra, stałe szybkości dla domniemanych wymian między jądrami można wyznaczyć poprzez porównanie widm symulowanych z widmami obserwowanymi w kilku temperaturach przejściowych. Dobre dopasowania symulacji w kilku temperaturach dostarczają danych dotyczących temperatury i stałych szybkości, które można wykorzystać w równaniu Eyringa do oszacowania parametrów aktywacji dla domniemanej wymiany. Wykazano, że wyniki uzyskane tą metodą są zarówno dokładne, jak i powtarzalne.