A detailed protocol describing the SSTD NMR method is presented here to help new users apply this new method to obtain the kinetic parameters of their own systems undergoing chemical exchange.
Denna detaljerade protokoll beskriver den nya Spin mättnad Transfer Skillnad Nuclear Magnetic Resonance protokoll (SSTD NMR), som nyligen utvecklats i vår grupp att studera förutsättningarna för ömsesidig plats kemiskt utbyte som är svåra att analysera med traditionella metoder. Som namnet antyder, denna metod kombinerar Spin mättnad Transfer metod som används för små molekyler, med mättnad Transfer Skillnad (STD) NMR-metod som används för att studera protein-ligandinteraktioner, genom att mäta övergående spinn mättnad överföring längs öka mättnads gånger (build -up kurvor) i små organiska och metallorganiska molekyler genomgår kemiskt utbyte.
Fördelarna med denna metod jämfört med existerande av dessa är: det finns inget behov av att nå koalescens av de utbytande signaler; metoden kan appliceras så länge som en signal av de utbytande platserna är isolerad; Det finns inget behov av att mäta T en eller nå steady state mättnad; hastighetskonstant vaLues mäts direkt, och T 1 värden erhålls i samma experiment, med användning av endast en uppsättning experiment.
För att testa metoden, har vi studerat dynamiken i den hindrade rotationen av N, N -dimethylamides, för vilka mycket data är tillgänglig för jämförelse. De termodynamiska parametrarna, som erhölls genom att använda SSTD är mycket lika de rapporterade ettor (spin-mättnad överföringsteknik och linjeform analys). Metoden kan appliceras på mer utmanande substrat som inte kan studeras genom tidigare metoder.
Vi ser att den enkla experimentella inrättat och den breda tillämpbarheten av metoden till en stor variation av substrat kommer att göra detta en vanlig teknik bland organiska och metallorganiska kemister utan omfattande expertis inom NMR.
Kemiskt utbyte hänvisar vanligen till någon inter eller intramolekylära process i vilken en kärna rör sig från en miljö till en annan där dess NMR parametrar (kemisk skift, skalära kopplings, dipolär koppling, avkoppling hastighet) skiljer sig åt. Det finns många exempel på kemisk utbyte i organiska och metallorganiska molekyler (t.ex. rotations hinder i biaryler, ring vändning hinder och konforma jämvikt, kväve inversion, ligandbindning, degenererade ligand utbyte och tautomerisering). 1-3 Växelkursen kemikalie relaterad till termodynamik av barriären av bytesprocessen, och därmed sin studie är av avgörande betydelse för att förstå molekylära dynamiken i dessa system.
Det klassiska tecknet på dynamiska utbytet i NMR är en dramatisk förändring i line-formen av de NMR-signaler som de temperaturförändringar. Vid låga temperaturer, är processen långsam och två distinkta kemiska skift är observed. Vid höga temperaturer, de två signalerna smälter samman till en signal, som är känd som "koalescens". Vid mellanliggande temperaturer, signalerna blir mycket bred. Denna känslighet av NMR-spektrum för kemiskt utbyte gör NMR en mycket kraftfull metod för att studera dynamiken av molekyler i lösning. Två metoder har huvudsakligen används i studiet av dynamiska processer i lösning:. Linjeformanalys, 4-7 och spinn mättnad överföring experiment 8-9 Dessutom är det också värt att nämna inversionsöverföringsmetod 10 och CIFIT programmet 11 för direkt utvinning av hastighetskonstanter, som är en relativt effektiv strategi för utbytesmätningar i enkla system. Även om dessa metoder ger mycket goda resultat i de flesta fall, de har emellertid ett antal nackdelar. Den största nackdelen med linjeform analysen är de höga temperaturer som krävs för att nå sammansmältning i vissa prover. 12 De viktigaste frågorna att tänka på när carrying ut spinnmättnadsöverförings experiment är: de mycket långa mättnadstider som krävs för att nå det stationära tillståndet mättnadsöverföring mellan de utbytande platser, och det är nödvändigt att bestämma den longitudinella relaxationstidskonstanten, T 1, vilket kan vara svårt om det finns överlappning av olika signaler i regionen studien. 13
Som en del av våra undersökningar i metallorganiska mekanismer, är 14-16 vår grupp studerar fluxional beteendet hos platina-Allene komplex i lösning. Detta är en komplex uppgift som involverar åtminstone tre olika processer, en av dem är den π-face utbyte eller rotation av metallen runt en av Allene axeln. Vi stötte att normal VT experiment och linjeformade analystekniker som har använts tidigare i liknande system, 17-19 var inte lämplig i vår studie, på grund av en mycket långsam rotation i vår platina-allenkomplex som gjorde koalescenstemperaturen av SIGnaler av intresse högre än temperaturen för sönderdelning av komplexet.
För att övervinna denna begränsning, vi utvecklat och rapporterade nyligen en ny NMR protokoll (SSTD NMR) för att studera förutsättningarna för ömsesidig plats kemiskt utbyte. 20 Som namnet antyder denna metod kombinerar Spin mättnad Transfer metod som används för små molekyler, med mättnad Transfer Skillnad NMR-metod som används för att studera protein-ligandinteraktioner, 21-24 genom att mäta övergående spinn mättnad överföring längs öka mättnads gånger (build-up kurvor) i små molekyler genomgår kemiskt utbyte.
Med denna nya metod (SSTD NMR) har vi visat att vi kan få de kinetiska parametrarna för intramolekylär kemiskt utbyte i små organiska och metallorganiska molekyler med några ytterligare fördelar jämfört med traditionella metoder: behövs inte sammansmältning av signalerna, så en mer flexibel temperaturintervall kan användasi studien; signal överlappning stör inte, men åtminstone en av de utbyter resonanser skall isoleras; Det finns inget behov av att mäta T en eller nå steady state mättnad; hastighetskonstantvärden mäts direkt och T 1 värden erhålls i samma experiment, med användning av endast en uppsättning experiment. En annan anmärkningsvärd fördel med SSTD NMR metodiken är att, till skillnad från Lineshape analys är bestämningen av kinetiken hastighetskonstant inte begränsad av ökningen av koalescens temperaturer som är förknippade med höga magnetfält. Således är vår metod så mycket väl disponeras för både låga och höga magnetfält. Denna artikel är avsedd att hjälpa nya användare tillämpa denna nya metod för sina egna system kemisk utbyte, och beskriver provberedning, experimentell uppsättning upp, datainsamling, och ett exempel på bearbetning och analys av data i en enkel organisk molekyl.
One of the more obvious advantages of this methodology is that the rate constants and the relaxation time for a given temperature can be obtained with a single set of experiments, with a robust pulse sequence (the same used for STD experiments to study protein-ligand interactions, which is typically found within the available set of experiments from the spectrometer manufacturer). This simplifies the experimental setup since there is no need to measure T1 or reach steady state saturation. Besides, it is remarkable that this method does not depend on the magnet strength, as coalescence methods. On the other hand, the main limitation is that this technique cannot be applied to chemical exchange processes too fast or too slow, which would depend on the temperature range of the NMR machine or the solvents used.
This new technique for the calculation of kinetic parameters can be applied to a great variety of substrates and its applicability has already been demonstrated with some interesting molecules.21 The kinetic parameters of the 4-N,N-dimethylamido[2.2]paracyclophane, a challenging substrate in which the signal of one of the methyl groups of interest is overlapped with other signals from the molecule, were successfully calculated using SSTD NMR. Interestingly, this methodology can be applied as long as one of the signals of study is isolated. SSTD NMR is also a useful protocol for the calculation of kinetic parameters in molecules in which the coalescence temperature is so high that the molecule decomposes before reaching it. This is the case with PtCl2(dimethylallene)(pyridine), in which the methodology was successfully applied without the need of reaching coalescence. The choice of solvents and temperatures is critical to obtain good results, since the chemical exchange rates can vary significantly with these parameters. Moreover, in addition to the criteria in a normal NMR experiment, key steps in a SSTD NMR experiment are the selectivity of the irradiation as well as the temperature control. Both factors have to be precise to guarantee the success of the experiment.
The representative results presented here are for the kinetics of intramolecular chemical exchange, but the technique can also be applied to study the kinetics of intermolecular chemical exchange and also ligand exchange, common processes in the dynamic behavior of transition metal complexes.
Finally, providing a proper modification of the equations is made,32 this method could be extended to deal with multi-site exchange and unequal populations, as it has been done in former double resonance experiments,8-9 increasing the usefulness of this technique for the study of chemical exchange processes in challenging compounds.
The authors have nothing to disclose.
Funding by the University of East Anglia, the EPSRC (EP/L012855/1) and the EU (H2020-MSCA-IF-2014-EF-ST-658172) is gratefully acknowledged (MTQ).
N,N-dimethylacetamide | Aldrich | 38840 | Acute toxicity |
Toluene-d8 | Fluorochem | D-005 | Flammable and toxic |
500MHz 7" Select Series NMR Tubes | GPE LTD | S-5-500-7 | |
TopSpin 2.1 | TopSpin program, Bruker Corp., http://www.bruker.com/products/mr/nmr/nmr-software/software/topspin/ (2015). | ||
Origin 6.0 | Origin 6.0 software, OriginLab Corp., http://originlab.com. | ||
Bruker Avance III 500 MHz fitted with 5mm broadband observed BBFOplus Z-gradient SmartProbeTM probe | Bruker Corp., http://www.bruker.com | ||
Bruker Avance I 500 MHz Inverse Triple Resonance NMR spectrometer fitted with a 5mm TXI Z-gradient probe | Bruker Corp., http://www.bruker.com | ||
Ceramic Spinner standardbore shimsystems (5 mm) | Bruker Corp., http://www.bruker.com | H00804 |