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.
Este protocolo detallado se describe el nuevo la transferencia de espín Saturación Diferencia Nuclear protocolo de resonancia magnética (RMN SSTD), recientemente desarrollado en nuestro grupo a los procesos de intercambio químico mutua in situ que son difíciles de analizar por métodos tradicionales estudiar. Como su nombre indica, este método combina el método de la vuelta de saturación de transferencia utilizado para moléculas pequeñas, con la diferencia de transferencia de saturación método (ETS) RMN empleado para el estudio de las interacciones proteína-ligando, mediante la medición de transferencia de saturación de espín transitoria a lo largo de aumentar los tiempos de saturación (build curvas -up) en moléculas orgánicas pequeñas y organometálicos sometidos a intercambio químico.
Las ventajas de este método sobre los ya existentes son: no hay necesidad de llegar a la coalescencia de las señales de intercambio; el método se puede aplicar siempre que una señal de los sitios de intercambio se aísla; no hay necesidad de medir T 1 o llegar a la saturación en estado estacionario; VA tasa constantelues se miden directamente, y los valores de T1 se obtienen en el mismo experimento, usando sólo un conjunto de experimentos.
Para probar el método, hemos estudiado la dinámica de la rotación impedida de N, N -dimethylamides, para los que está disponible la cantidad de datos para la comparación. Los parámetros termodinámicos obtenidos usando MSITS son muy similares a los reportados (técnicas de transferencia de spin-saturación y análisis de forma lineal). El método se puede aplicar a los sustratos más difíciles que no pueden ser estudiados por los métodos anteriores.
Prevemos que el experimental sencillo de configurar y la amplia aplicabilidad del método a una gran variedad de sustratos a hacer de este una técnica común entre los químicos orgánicos y organometálicos sin una amplia experiencia en RMN.
intercambio químico comúnmente se refiere a cualquier proceso intermolecular o intramolecular en la que un núcleo se mueve desde un ambiente a otro en el que sus parámetros de RMN (desplazamiento químico, de acoplamiento escalar, acoplamiento dipolar, velocidad de relajación) difieren. Hay numerosos ejemplos de intercambio químico en las moléculas orgánicas y organometálicos (por ejemplo, barreras de rotación en biarilos, barreras de mover de un tirón en el anillo y el equilibrio conformacional, inversión de nitrógeno, de unión a ligando, de intercambio de ligandos degenerado y tautomerización). 1-3 El tipo de cambio químico se relaciona con la termodinámica de la barrera del proceso de cambio, y por lo tanto su estudio es de importancia crucial para entender la dinámica molecular de estos sistemas.
El signo clásico de intercambio dinámico de RMN es un cambio dramático en la línea-forma de las señales de RMN como los cambios de temperatura. A bajas temperaturas, el proceso es lento y dos desplazamientos químicos distintos se obserVed. A altas temperaturas, las dos señales se combinan en una señal, que se conoce como "coalescencia". A temperaturas intermedias, las señales se vuelven muy amplio. Esta sensibilidad del espectro de NMR de intercambio químico hace NMR un método muy poderoso para estudiar la dinámica de las moléculas en solución. Dos métodos se han empleado principalmente en el estudio de procesos dinámicos en la solución:. Análisis línea forma, 4-7 y saturación giro experimentos de transferencia 8-9 Además, es también digno de mención el método 10 y la transferencia de FIICCh inversión de programa 11 para la extracción directa de las constantes de velocidad, que son un enfoque relativamente eficiente para mediciones de cambio en los sistemas simples. Aunque estos métodos dan muy buenos resultados en la mayoría de los casos, que, sin embargo, tienen una serie de inconvenientes. La principal desventaja del análisis línea forma es las altas temperaturas necesarias para llegar a la coalescencia en algunas muestras. 12 Los principales aspectos a considerar cuando se carrying fuera de espín experimentos de transferencia de saturación son: los tiempos de saturación muy largos requeridos para alcanzar la constante de transferencia de saturación de estado entre los sitios de intercambio, y la necesidad de determinar la constante de tiempo de relajación longitudinal, T 1, que puede ser difícil si hay una superposición de diferentes señales en la región de estudio. 13
Como parte de nuestras investigaciones en los mecanismos organometálicos, 14-16 nuestro grupo está estudiando el Comportamiento variable de complejos de platino-aleno en solución. Esta es una tarea compleja que implica al menos tres procesos diferentes, siendo uno de ellos el intercambio π-cara o rotación del metal alrededor de uno de los ejes de aleno. Nos encontramos con que la normalidad experimentos VT y técnicas de análisis de línea de forma que se han empleado antes en sistemas similares, 17-19 no eran adecuados en nuestro estudio, debido a una rotación muy lenta en nuestro complejo de platino-aleno que hizo que la temperatura de fusión de la signales de interés más alta que la temperatura de descomposición del complejo.
Para superar esta limitación, hemos desarrollado y recientemente informó de un nuevo protocolo de RMN (MSITS RMN) para estudiar los procesos de intercambio químico mutua in situ. 20 Como el nombre sugiere que este método combina el método de la vuelta de saturación de transferencia utilizado para moléculas pequeñas, con el transferencia de saturación Diferencia método de RMN emplea para el estudio de las interacciones proteína-ligando, 21-24 mediante la medición de la saturación de transferencia de espín transitoria a lo largo de aumentar los tiempos de saturación (acumulación curvas) en pequeñas moléculas se someten a intercambio químico.
Con este nuevo método (SSTD NMR) hemos demostrado que podemos obtener los parámetros cinéticos de intercambio químico intramolecular en moléculas orgánicas y organometálicos pequeño, con algunas ventajas adicionales sobre los métodos tradicionales: no es necesaria la coalescencia de las señales, por lo que un rango de temperatura más flexible puede ser usadoen el estudio; la superposición de señales no interfiere, aunque al menos una de las resonancias que intercambian deben ser aislados; no hay necesidad de medir T 1 o llegar a la saturación en estado estacionario; valores de las constantes de velocidad se miden directamente y los valores de T 1 se obtienen en el mismo experimento, con sólo un conjunto de experimentos. Otra ventaja notable de la metodología SSTD RMN es que, en contraste con forma lineal de análisis, la determinación de las constantes de velocidad cinética no está limitado por el aumento de las temperaturas de coalescencia asociados con altos campos magnéticos. Por lo tanto, nuestra metodología es entonces muy bien apropiado para ambos campos magnéticos de baja y alta. Este artículo está pensado para ayudar a los nuevos usuarios a aplicar este nuevo método para sus propios sistemas de someterse a intercambio químico, y describe la preparación de muestras, dispositivo experimental, adquisición de datos, y un ejemplo de procesamiento y análisis de datos en una molécula orgánica simple.
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 |