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.
이 상세한 프로토콜은 최근 전통적인 방법으로 분석하기 어려운 상호 사이트 화학 교환의 과정을 연구하기 위해 우리 그룹에서 개발 한 새로운 스핀 채도 전송 차이 핵 자기 공명 프로토콜 (SSTD NMR)을 설명합니다. 이름에서 알 수 있듯이,이 방법은, (빌드 포화 시간의 증가에 따라 과도 스핀 포화 전달을 측정함으로써 채도 전송 차이 단백질 – 리간드 상호 작용의 연구를 위해 사용되는 (STD) NMR 법 소분자에 사용 된 스핀 포화 전송 방법을 결합한 화학 물질 교환을 겪고 작은 유기 및 유기 금속 분자 – 최대 곡선).
기존의 것들 위에이 방법의 장점은 다음의 신호 교환의 합일에 도달 할 필요가 없다; 이 방법은 절연 된 교환 사이트 중 하나의 신호만큼 적용될 수있다; T 1 측정 또는 정상 상태의 포화에 도달 할 필요가 없다; 속도 상수 버지니아매독을 직접 측정하고, T (1) 값은 실험의 한 세트를 사용하여 동일한 실험에서 얻어진다.
방법을 테스트하기 위해, 우리는 많은 데이터 비교 서비스를 사용할 수있는 N, N의 -dimethylamides의 힌 더드 회전의 역학을 공부했다. SSTD을 사용하여 수득 된 열역학적 파라미터는보고들 (스핀 포화 전송 기술과 선 형상 분석)와 매우 유사하다. 이 방법은 이전의 방법에 의해 연구 할 수없는 더 도전 기판에 적용될 수있다.
우리는 간단한 실험을 설정하는 것이 직시과 기판의 큰 다양한 방법의 폭 넓은 적용이 NMR에서의 광범위한 전문 지식이없는 유기 및 유기 화학자들 사이에 일반적인 기술 할 것이다.
화학 교환은 일반적으로 핵이 NMR 매개 변수 (화학적 이동, 스칼라 커플 링, 쌍 극성 커플 링, 휴식 속도가) 차이가있는 한 환경에서 다른 환경으로 이동하는 모든 분자 또는 분자 내 과정을 의미한다. 이 유기 및 유기 금속 분자 (비아 릴의 예를 들면, 회전 장벽, 링 내리고 장벽과 구조적 평형, 질소 반전, 리간드 결합, 타락한 리간드 교환 및 tautomerization) 화학 교환의 수많은 예 1-3.있는 화학 환율은 관련이 상기 교환 처리의 장벽 열역학, 따라서 그 연구는 매우 중요하다 이러한 시스템의 분자 역학을 이해한다.
NMR 동적 교환 고전 기호는 온도 변화와 NMR 신호의 라인 형상의 급격한 변화이다. 저온에서, 처리는 느리고 두 개의 별개의 화학적 이동이있는 obserVED. 높은 온도에서, 두 개의 신호는 "합체"로 알려진 하나의 신호로 통합. 중간 온도에서의 신호는 매우 확장된다. 화학 교환하는 NMR 스펙트럼이 감도는 NMR을 용액에 분자 동역학을 연구하기 위해 매우 강력한 방법을 만든다. 두 가지 방법을 주로 용액 동적 프로세스의 연구에 사용되었다 :. 선 형상 분석 4-7 스핀 포화 전송 실험 8-9 게다가, 그것은 또한 대한 반전 전사 방법 (10)과 CIFIT 프로그램 (11)을 언급 할 가치가있다 간단한 시스템의 교환 측정을위한 비교적 효율적인 방법입니다 속도 상수의 직접 추출. 이러한 방법은 대부분의 경우에 매우 양호한 결과를 얻을 수 있지만, 그러나 이들은 결점을 가지고있다. 선 형상 분석의 주요 단점은 몇몇 시료에서 유착을 달성하는데 필요한 높은 온도이다. (12) 주요 이슈 때 CA 고려아웃 rrying 스핀 포화 전송 실험은 다음 교환 사이트 간의 정상 포화 전송을 달성하는 데 필요한 매우 긴 포화 시간 및 어렵다 일정한 길이 완화 시간 T (1)를 판별 할 필요가 상이한의 오버랩이 있으면 연구의 영역에서 신호. (13)
유기 금속 메커니즘 우리 조사의 일환으로, 14 ~ 16 우리 그룹은 용액에서 백금 – 알렌 단지의 유동적 동작을 연구하고있다. 이것은 적어도 세 가지 공정은 알렌 축 중 하나 주위에 금속의 π 얼굴 교환 또는 회전되고,이 중 하나를 포함하는 복잡한 작업이다. 우리는 17-19 인해의 유착 온도를 만든 우리의 백금 – 알렌 복잡 매우 느린 회전에, 우리의 연구에 적합하지 않았다 VT 실험과 유사한 시스템에서 이전에 사용되어왔다 라인 형상 분석 기술 정상적인 것을 발견 시그복합체의 분해 온도보다 높은 관심하는 NAL.
이러한 한계를 극복하기 위해, 우리는 개발되어 최근 상호 사이트 화학 교환 과정을 연구하기위한 새로운 NMR 프로토콜 (SSTD NMR)을보고 하였다. 20 이름이 방법이 가진 작은 분자에 사용 된 스핀 포화 전송 방법을 결합 있듯이 채도 전송 차이 NMR 방법은 화학 물질의 교환을받은 작은 분자의 채도 시간 (빌드 업 곡선) 증가에 따른 일시적인 스핀 포화 전송을 측정하여 단백질 – 리간드 상호 작용의 연구, 21 ~ 24 채용.
이 새로운 방법 (SSTD NMR)을 통해 우리는 우리가 기존의 접근 방식을 통해 몇 가지 추가적인 장점이 작은 유기 및 유기 금속 분자의 분자 내 화학 물질 교환의 운동 매개 변수를 얻을 수있는 것으로 나타났습니다 : 신호의 유착이 필요하지 않습니다, 그래서 더 유연 온도 범위 사용될 수있다연구에; 교환 공진 중 적어도 하나는 절연되어야하지만 중첩 신호가 간섭하지 않는다; T 1 측정 또는 정상 상태의 포화에 도달 할 필요가 없다; 속도 상수 값이 직접 측정되고, 1 T 값은 실험의 한 세트를 사용하여 동일한 실험에서 얻어진다. SSTD NMR 방법의 또 다른 주목할만한 장점은 분석 lineshape 달리, 동력학 속도 상수의 결정을 높은 자기장과 관련된 합체 온도의 증가에 의해 제한되지 않는 점이다. 따라서, 우리의 방법은 아주 잘 낮고 높은 자기장 모두 충당된다. 이 문서에서는 새로운 사용자가 화학 물질의 교환을 받고 자신의 시스템이 새로운 방법을 적용 할 수 있도록 구성하고, 샘플 준비, 실험 셋업, 데이터 수집, 간단한 유기 분자의 데이터 처리 및 분석의 예를 설명한다.
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 |