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 detaljerede protokol beskriver den nye Spin Saturation Transfer Difference Nuclear Magnetic Resonance protokol (SSTD NMR), for nylig udviklet i vores gruppe for at studere processer af gensidig-site kemisk udveksling, der er vanskelige at analysere ved traditionelle metoder. Som navnet antyder, er denne metode kombinerer Spin mætningsoverførsel metode bruges til små molekyler, med Mætning Transfer Difference (STD) NMR metode anvendt til undersøgelse af protein-ligand-interaktioner, ved at måle forbigående centrifugering mætningsoverførsel langs voksende mætning gange (build -Up kurver) i små organiske og organometalliske molekyler undergår kemisk udveksling.
Fordelene ved denne metode i forhold til eksisterende er: er der ikke behov for at nå sammenflydning af de udveksler signaler; metoden kan anvendes, så længe ét signal af de udveksler sites er isoleret; der ikke er behov for at måle T 1 eller nå steady state mætning; hastighedskonstant values måles direkte, og T 1 værdier er opnået i det samme eksperiment, ved anvendelse af kun ét sæt eksperimenter.
For at teste fremgangsmåden, har vi studeret dynamikken i den hindrede rotation af N, N -dimethylamides, for hvilken der foreligger mange data til sammenligning. De termodynamiske parametre opnået ved anvendelse SSTD er meget lig de rapporterede dem (spin-mætningsoverførsel teknikker og line-form analyse). Fremgangsmåden kan anvendes til mere udfordrende substrater, der ikke kan studeres ved tidligere fremgangsmåder.
Vi forestiller os, at den simple eksperimentelle opsætning og den brede anvendelighed af metoden til en lang række substrater vil gøre dette til en almindelig teknik blandt organiske og organometalliske kemikere uden omfattende ekspertise i NMR.
Kemisk udveksling almindeligvis henviser til enhver intermolekylær eller intramolekylær proces, hvor en kerne flytter fra ét miljø til et andet, hvor dets NMR-parametre (kemiske skift, skalar koblings-, dipolært koblings-, relaktionsrate) forskellige. Der er talrige eksempler på kemisk udveksling i organiske og organometalliske molekyler (f.eks roterende barrierer i biaryler, ring flipping barrierer og konformationel ligevægt, kvælstof inversion, ligandbinding, degenereret ligand udveksling og tautomerisering). 1-3 Den kemiske Kursen er relateret til termodynamik barrieren af udvekslingen proces, og derfor sin undersøgelse er af afgørende betydning for at forstå molekylær dynamik i disse systemer.
Den klassiske tegn på dynamisk udveksling i NMR er en dramatisk ændring i line-formen af NMR signaler som temperaturen ændres. Ved lave temperaturer, er processen langsom og to forskellige kemiske skift er obseraba. Ved høje temperaturer, de to signaler smelter sammen til ét signal, der er kendt som "sammensmeltning". Ved mellemliggende temperaturer, signalerne bliver meget bredt. Denne følsomhed af NMR-spektret til kemisk udveksling gør NMR en meget kraftfuld metode til at studere dynamikken af molekyler i opløsning. To metoder er blevet primært ansat i studiet af dynamiske processer i opløsning:. Line-form analyse, 4-7 og spin-mætning transfer eksperimenter 8-9 Desuden er det også værd at nævne den inversion overførselsmetode 10 og CIFIT program 11 for den direkte udvinding af hastighedskonstanter, som er en relativt effektiv tilgang til udveksling målinger i simple systemer. Selv om disse metoder giver meget gode resultater i de fleste tilfælde, de har dog en række ulemper. Den største ulempe ved line-formen analyse er de høje temperaturer, der er nødvendige for at nå sammensmeltning i nogle prøver. 12 De vigtigste spørgsmål at overveje, når carrying ud spin-mætningsoverførsel eksperimenter er: de meget lange saturation gange kræves for at nå steady state mætningsoverførsel mellem udveksler sites, og behovet for at bestemme den langsgående relaksationstidskonstant, T 1, hvilket kan være vanskeligt, hvis der er overlapning af forskellige signaler i regionen undersøgelsen. 13
Som en del af vores undersøgelser i organometalliske mekanismer, er 14-16 vores gruppe studere fluxional adfærd platin-Allene komplekser i opløsning. Dette er en kompleks opgave, der involverer mindst tre forskellige processer, en af dem er den π-face udveksling eller rotation af metallet omkring en af Allene akse. Vi stødte at normal VT eksperimenter og line-shape analyse teknikker, der er blevet anvendt før i lignende systemer, 17-19 ikke var egnet i vores undersøgelse, på grund af en meget langsom rotation i vores platin-allen kompleks, der gjorde sammensmeltning temperaturen af SIGnaler af interesse højere end temperaturen af dekomponering af komplekset.
For at overvinde denne begrænsning, vi udviklet og for nylig rapporteret en ny NMR-protokol (SSTD NMR) til at studere processer gensidig-site kemisk udveksling. 20 Som navnet antyder denne metode kombinerer Spin Saturation Transfer metode, der anvendes til små molekyler, med Saturation Transfer Difference NMR metode anvendt til undersøgelse af protein-ligand interaktioner, 21-24 ved at måle forbigående spin-mætningsoverførsel sammen voksende mætning gange (ophobning kurver) i små molekyler undergår kemisk udveksling.
Med denne nye metode (SSTD NMR) har vi vist, at vi kan opnå de kinetiske parametre for intramolekylær kemisk udveksling i små organiske og organometalliske molekyler med nogle yderligere fordele i forhold til traditionelle metoder: er ikke nødvendigt sammensmeltning af signalerne, så en mere fleksibel temperaturområde Kan brugesi undersøgelsen; signal overlapning ikke interfererer, dog bør isoleres mindst et af de udveksler resonanser; der ikke er behov for at måle T 1 eller nå steady state mætning; sats konstante værdier måles direkte og T 1 værdier opnået i det samme eksperiment, ved hjælp af kun ét sæt eksperimenter. En anden bemærkelsesværdig fordel ved SSTD NMR metoden er, at i modsætning til lineshape analyse, er bestemmelsen af kinetikken hastighedskonstanter ikke begrænset af den stigende sammensmeltning temperaturer forbundet med høje magnetfelter. Således er vores metode så meget godt tilegnet for både lave og høje magnetfelter. Denne artikel er bestemt til at hjælpe nye brugere anvende denne nye metode til deres egne systemer kemisk udveksling, og beskriver prøveforberedelse, forsøgsopstilling op, dataopsamling, og et eksempel på databehandling og analyse i en enkel organisk molekyle.
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 |