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.
Denne detaljerte protokollen beskriver nye Spin metning Transfer Difference Kjernemagnetisk resonans protokoll (SStd NMR), nylig utviklet i vårt gruppe for å studere prosesser av gjensidig stedet for kjemisk utveksling som er vanskelige å analysere ved tradisjonelle metoder. Som navnet antyder, kombinerer denne metoden Spin Saturation Transfer metode som brukes for små molekyler, med metning Transfer Difference (STD) NMR metode som anvendes for å studere protein-ligand interaksjoner, ved å måle forbigående spinn metning overføring sammen økende metnings ganger (build -up kurver) i små organiske og metallorganiske molekyler som gjennomgår kjemisk utveksling.
Fordelene med denne metoden i forhold til eksisterende de er: det er ikke nødvendig for å oppnå koalesens av de utveksler signaler; at fremgangsmåten kan anvendes så lenge som et signal av de utveksler områdene blir isolert; er det ikke nødvendig å måle T 1 eller steady state metning; hastighetskonstanten values måles direkte, og T 1 verdier blir oppnådd på samme eksperiment, ved bruk av bare ett sett med eksperimenter.
For å teste fremgangsmåten, har vi studert dynamikken i den hindrede rotasjon av N, N -dimethylamides, hvor mye data er tilgjengelig for sammenligning. De termodynamiske parametere som oppnås ved hjelp SStd er svært lik de rapporterte de (spin-metning overføringsteknikker og line-form analyse). Fremgangsmåten kan anvendes på mer utfordrende underlag som ikke kan studeres ved tidligere metoder.
Vi ser for oss at det enkle eksperimentelle satt opp og bred anvendelse av metoden til et stort utvalg av underlag vil gjøre dette til en vanlig teknikk blant organiske og metallorganiske kjemikere uten omfattende kompetanse i NMR.
Kjemisk utveksling ofte refererer til alle inter eller intra prosess der en kjerne beveger seg fra ett miljø til et annet der sine NMR parametere (kjemisk skift, skalar koblings, bipolart koblings, avslapping hastighet) forskjellig. Det finnes mange eksempler på kjemisk utveksling i organiske og metallorganiske molekyler (f.eks rotasjons barrierer i biaryls, ring bla barrierer og conformational likevekt, nitrogen inversjon, ligand binding, degenerert ligand utveksling og tautomerisering). 1-3 Den kjemiske valutakurs er knyttet til termodynamikk av barrieren av bytteprosessen, og derfor dens studie er av avgjørende betydning for å forstå molekylær dynamikk av disse systemene.
Den klassiske tegn på dynamisk utveksling i NMR er en dramatisk endring i den linje-formen av de NMR-signaler som temperaturendringer. Ved lave temperaturer, er fremgangsmåten langsom og to forskjellige kjemiske skift er dialektikkenVed. Ved høye temperaturer, de to signalene slå sammen til ett signal, som er kjent som "koalesens". Ved mellomliggende temperaturer, de signaler som blir meget bred. Denne sensitiviteten av NMR-spekteret til kjemisk utveksling gjør NMR en meget kraftig metode for å studere dynamikken i molekylene i oppløsning. To metoder er i hovedsak ansatt i studiet av dynamiske prosesser i. Løsning: linjeformanalyse, 4-7 og spin metning overføring eksperimenter 8-9 Dessuten er det også verdt å nevne inversjon overføringsmetode 10 og CIFIT program 11 for den direkte utvinning av hastighetskonstanter, som er en relativt effektiv tilnærming for utvekslings målinger i enkle systemer. Selv om disse fremgangsmåter gir meget gode resultater i de fleste tilfeller, de har imidlertid en rekke ulemper. Den største ulempen med linjeformede analyse er de høye temperaturene som trengs for å nå sammenvoksing i noen prøver. 12 De viktigste spørsmål å vurdere når carrying ut ringmetning transfer eksperimenter er: for svært lange metningstider som kreves for å nå stabil tilstand metning overføring mellom utveksling områder, og behovet for å bestemme den langsgående relaksasjonstid konstant, T 1, noe som kan være vanskelig hvis det er overlapping av forskjellig signaler i regionen studien. 13
Som en del av våre undersøkelser i organiske mekanismer, er 14-16 vår gruppe studere fluxional oppførselen til platina-allene komplekser i løsningen. Dette er en komplisert oppgave som omfatter minst tre forskjellige prosesser, en av dem blir π-ansikt utveksling eller rotasjon av metall rundt en av de Allene akse. Vi møtte som vanlig VT eksperimenter og line-form analyseteknikker som har vært ansatt før i lignende systemer, 17-19 ikke var egnet i vår studie, på grunn av en svært langsom dreining i vår platina-allene kompleks som gjorde sammenvoksing temperaturen på sigmene av interesse høyere enn temperaturen av dekomponering av komplekset.
For å overvinne denne begrensningen, har vi utviklet og nylig rapportert en ny NMR-protokollen (SStd NMR) for å studere prosesser av gjensidig stedet kjemisk utveksling. 20 Som navnet antyder denne metoden kombinerer Spin Saturation Transfer metode som brukes for små molekyler, med metning Transfer forskjellen NMR-metode som anvendes for studium av protein-ligand interaksjoner, 21-24 ved måling av transient sentrifuge metning overføring langs økende metningstider (oppbygningskurver) i små molekyler som gjennomgår kjemisk utveksling.
Med denne nye metoden (SStd NMR) har vi vist at vi kan oppnå de kinetiske parameterne for intramolekylære kjemisk utveksling i små organiske og metallorganiske molekyler med noen ekstra fordeler i forhold til tradisjonelle fremgangsmåter: koalesens av signalene ikke er nødvendig, slik at et mer fleksibelt temperaturområde kan bli brukti studien; signal overlapping blander seg ikke, selv om minst en av de utveksler resonanser skal isoleres; er det ikke nødvendig å måle T 1 eller steady state metning; hastighetskonstanten verdiene måles direkte og T 1 verdier blir oppnådd på samme eksperiment, ved bruk av bare ett sett med eksperimenter. En annen bemerkelsesverdig fordel med SStd NMR-metoden er at, i motsetning til lineshape analysen, er bestemmelse av de kinetiske hastighetskonstantene ikke begrenset av økningen i koalesens temperaturer forbundet med høye magnetiske felt. Dermed er vår metodikk så godt bevilget for både lave og høye magnetiske felt. Denne artikkelen er ment å hjelpe nye brukere bruker denne nye metoden til sine egne systemer gjennomgår kjemisk utveksling, og beskriver prøveopparbeidelse, eksperimentell satt opp, datainnsamling, og et eksempel på dataprosessering og analyse 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 |