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.
يصف هذا البروتوكول مفصل الجديد نقل سبين التشبع الفرق النووية بروتوكول الرنين المغناطيسي (NMR SSTD)، التي وضعت مؤخرا في مجموعتنا لدراسة عمليات التبادل الكيميائي المتبادل الموقع التي يصعب تحليلها بالطرق التقليدية. وكما يوحي اسمها، وهذا الأسلوب يجمع بين أسلوب سبين التشبع نقل تستخدم لجزيئات صغيرة، مع نقل التشبع الفرق طريقة (STD) NMR المستخدمة لدراسة التفاعلات البروتين يجند، عن طريق قياس عابرة نقل تدور التشبع جنبا إلى جنب زيادة مرات التشبع (بناء منحنيات الهاتفي) في الجزيئات العضوية والعضوية الفلزية صغيرة تمر التبادل الكيميائي.
مزايا هذه الطريقة أكثر من تلك القائمة هي: ليست هناك حاجة للوصول إلى تجمع للإشارات تبادل. ويمكن تطبيق هذا الأسلوب طالما إشارة واحدة من مواقع تبادل معزولة. ليست هناك حاجة لقياس تي 1 أو الوصول إلى الإشباع حالة مستقرة. معدل فا المستمريتم قياس الزهرى مباشرة، ويتم الحصول عليها تي 1 القيم في نفس التجربة، وذلك باستخدام مجموعة واحدة فقط من التجارب.
لاختبار طريقة، درسنا ديناميات دوران حال دون من -dimethylamides N، N، والتي هي الكثير من البيانات المتاحة للمقارنة. المعلمات الحرارية التي تم الحصول عليها باستخدام SSTD هي مشابهة جدا لتلك التي ذكرت (تقنيات نقل تدور التشبع وتحليل خط الشكل). ويمكن تطبيق هذه الطريقة لركائز أكثر الصعبة التي لا يمكن دراستها بالطرق السابقة.
ونحن نتوقع أن تجريبية بسيطة أقامت وسوف تطبيق واسع من أسلوب إلى مجموعة كبيرة ومتنوعة من ركائز جعل هذا أسلوب شائع بين علماء الكيمياء العضوية والعضويه دون خبرة واسعة في NMR.
يشير التبادل الكيميائي عادة إلى أي عملية الجزيئات أو ضمجزيئي عامل ضمن الجزيئ الذي نواة تتحرك من بيئة إلى أخرى التي المعلمات NMR لها (التحول الكيميائي، واقتران العددية، واقتران ثنائي القطب، ومعدل الاسترخاء) تختلف. وهناك أمثلة عديدة للتبادل الكيميائية في الجزيئات العضوية والفلزية العضوية (على سبيل المثال، والحواجز التناوب في biaryls، عصابة الحواجز التقليب والتوازن بتكوين والنيتروجين انعكاس، يجند ملزمة، تتدهور الصرف يجند وtautomerization) 1-3 ويرتبط معدل التبادل الكيميائي ل الديناميكا الحرارية من حاجز عملية التبادل، وبالتالي دراستها يتسم بأهمية حاسمة لفهم ديناميات الجزيئية لهذه الأنظمة.
علامة الكلاسيكي الصرف الديناميكي في NMR هو تغيير جذري في خط شكل إشارات NMR كما التغيرات في درجات الحرارة. في درجات حرارة منخفضة، عملية بطيئة واثنين من التحولات الكيميائية متميزة وobserفيد. في درجات حرارة عالية، دمج إشارات اثنين في إشارة واحدة، والذي يعرف باسم "التحام". في درجات الحرارة المتوسطة، وإشارات أصبحت واسعة جدا. هذه الحساسية من الطيف الرنين المغناطيسي لصرف الكيميائي يجعل NMR وسيلة قوية جدا لدراسة ديناميكية الجزيئات في الحل. وقد استخدمت طريقتين أساسا في دراسة العمليات الدينامية في حل: تحليل خط الشكل، 4-7 والتشبع تدور التجارب نقل 8-9 وعلاوة على ذلك، فمن الجدير بالذكر أيضا أن طريقة (10) وCIFIT برنامج نقل انقلاب 11 ل استخراج المباشر من ثوابت المعدل، التي هي نهج فعال نسبيا لقياس الصرف في أنظمة بسيطة. على الرغم من أن هذه الطرق تعطي نتائج جيدة جدا في معظم الحالات، ولكن، لديك عدد من السلبيات. العيب الرئيسي للتحليل خط الشكل هو درجات الحرارة العالية اللازمة للوصول إلى التحام في بعض العينات. 12 والقضايا الرئيسية التي يجب مراعاتها عند كاليفورنياrrying خارج تدور التجارب نقل التشبع هي: العصر التشبع طويلة جدا المطلوبة للوصول إلى مطرد نقل التشبع الدولة بين مواقع تبادل، وضرورة تحديد وقت الاسترخاء الطولي المستمر، تي 1، والذي يمكن أن يكون صعبا إذا كان هناك تداخل مختلفة إشارات في منطقة الدراسة. 13
كجزء من تحقيقاتنا في آليات الفلزية العضوية، 14-16 مجموعتنا تدرس سلوك fluxional المجمعات البلاتين allene في الحل. وهذه مهمة معقدة تنطوي على الأقل ثلاث عمليات مختلفة، واحد منهم تبادل π وجه أو دوران المعدنية حول واحدة من محور allene. واجهنا أن التجارب VT وتقنيات تحليل خط الشكل التي استخدمت من قبل في أنظمة مشابهة وضعها الطبيعي، وكانت 17-19 يست مناسبة في دراستنا، وذلك بسبب دوران بطيء جدا في منطقتنا مجمع البلاتين allene التي جعلت درجة الحرارة تجمع لل سيجNALS من فائدة أعلى من درجة حرارة التحلل من المجمع.
ومن أجل التغلب على هذا القيد، وضعنا وذكرت مؤخرا بروتوكول NMR الجديد (SSTD NMR) لدراسة عمليات التبادل الكيميائي المتبادل الموقع. 20 وكما يوحي اسم هذا الأسلوب يجمع بين أسلوب سبين التشبع نقل تستخدم لجزيئات صغيرة، مع نقل التشبع الفرق طريقة الرنين المغناطيسي يعمل لدراسة التفاعلات البروتين يجند، 21-24 عن طريق قياس عابرة تدور نقل التشبع جنبا إلى جنب زيادة مرات التشبع (منحنيات بناء متابعة) في جزيئات صغيرة تمر التبادل الكيميائي.
مع هذا الأسلوب الجديد (SSTD NMR) لقد أظهرنا أننا نستطيع الحصول على المعلمات الحركية التبادل الكيميائي ضمجزيئي في الجزيئات العضوية والعضوية الفلزية صغيرة مع بعض المزايا الإضافية على الأساليب التقليدية: ليست هناك حاجة تجمع للإشارات، وذلك على مدى درجة الحرارة أكثر مرونة ممكن استخدامهفي الدراسة؛ إشارة التداخل لا تتدخل، على الرغم من واحد على الأقل من الأصداء تبادل يجب أن تكون معزولة. ليست هناك حاجة لقياس تي 1 أو الوصول إلى الإشباع حالة مستقرة. يتم قياس معدل قيم ثابتة مباشرة ويتم الحصول عليها تي 1 القيم في نفس التجربة، وذلك باستخدام مجموعة واحدة فقط من التجارب. ميزة رائعة أخرى لمنهجية SSTD NMR هي أنه، على النقيض من lineshape التحليل، وتحديد الثوابت معدل حركية لا يحد من الزيادة في درجات الحرارة التحام المرتبطة المجالات المغناطيسية العالية. وبالتالي، لدينا منهجية وثم خصصت بشكل جيد للغاية لكلا المجالات المغناطيسية العالية والمنخفضة. يهدف هذا المقال إلى مساعدة المستخدمين الجدد تطبيق هذا الأسلوب الجديد لأنظمتها الخاصة تمر التبادل الكيميائي، ويصف إعداد العينات، مجموعة تجريبية تصل، والحصول على البيانات، ومثال على معالجة البيانات وتحليلها في جزيء عضوي بسيط.
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 |