स्पिन संतृप्ति स्थानांतरण अंतर एनएमआर (SSTD एनएमआर): एक नया उपकरण रासायनिक विनिमय प्रक्रियाओं की काइनेटिक पैरामीटर प्राप्त करने के लिए
Summary
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.
Abstract
यह विस्तृत प्रोटोकॉल नए स्पिन संतृप्ति स्थानांतरण अंतर परमाणु चुंबकीय अनुनाद प्रोटोकॉल (SSTD एनएमआर), कि हाल ही में परंपरागत तरीके से विश्लेषण करने के लिए मुश्किल हो जाता है आपसी साइट रासायनिक आदान-प्रदान की प्रक्रिया का अध्ययन करने के लिए हमारे समूह में विकसित वर्णन करता है। नाम का सुझाव है, इस विधि, संतृप्ति बार बढ़ाने के साथ क्षणिक स्पिन संतृप्ति हस्तांतरण को मापने (निर्माण से स्पिन संतृप्ति स्थानांतरण छोटे अणुओं के लिए इस्तेमाल किया विधि, संतृप्ति स्थानांतरण अंतर (एसटीडी) एनएमआर विधि प्रोटीन ligand बातचीत के अध्ययन के लिए कार्यरत साथ जोड़ती मेकअप घटता) छोटे कार्बनिक अणुओं और organometallic रासायनिक विनिमय के दौर से गुजर में।
मौजूदा वालों पर इस विधि के लाभ हैं: आदान प्रदान संकेतों के संघीकरण तक पहुंचने के लिए कोई जरूरत नहीं है; विधि का आदान प्रदान साइटों अलग है की एक संकेत के रूप में लंबे समय के रूप में लागू किया जा सकता है; मापने के लिए टी 1 या स्थिर राज्य संतृप्ति तक पहुंचने की कोई जरूरत नहीं है; दर लगातार VAलूस सीधे मापा जाता है, और टी 1 मूल्यों ही प्रयोग में प्राप्त कर रहे हैं, प्रयोगों का केवल एक सेट का उपयोग कर।
विधि का परीक्षण करने के लिए, हम एन, एन -dimethylamides की रुकावट रोटेशन, जिसके लिए ज्यादा डेटा तुलना के लिए उपलब्ध है की गतिशीलता का अध्ययन किया है। SSTD का उपयोग कर प्राप्त thermodynamic के मापदंडों बहुत सूचना वाले (स्पिन संतृप्ति हस्तांतरण तकनीक और लाइन-आकार विश्लेषण) के समान हैं। विधि अधिक चुनौतीपूर्ण substrates कि पिछले विधियों द्वारा अध्ययन नहीं किया जा सकता करने के लिए लागू किया जा सकता है।
हम जानते हैं कि सरल प्रयोगात्मक की स्थापना की परिकल्पना की गई है और substrates के एक महान विविधता के लिए विधि की विस्तृत प्रयोज्यता इस एनएमआर में व्यापक विशेषज्ञता के बिना जैविक और organometallic दवा की दुकानों के बीच एक आम तकनीक कर देगा।
Introduction
रासायनिक विनिमय आमतौर पर किसी भी आणविक या इंट्रामोलीक्युलर प्रक्रिया है जिसमें एक नाभिक एक और जिसमें उसके एनएमआर मानकों (रासायनिक बदलाव, अदिश युग्मन, dipolar युग्मन, विश्राम दर) अलग करने के लिए एक माहौल से चलता करने के लिए संदर्भित करता है। वहाँ जैविक और organometallic अणु (जैसे, biaryls में बारी-बारी से बाधाओं, अंगूठी flipping बाधाओं और गठनात्मक संतुलन, नाइट्रोजन उलटा, ligand बंधन, पतित ligand मुद्रा और tautomerization) में रासायनिक आदान-प्रदान के कई उदाहरण हैं। 1-3 रासायनिक विनिमय दर से संबंधित है विनिमय प्रक्रिया की बाधा की ऊष्मा, और इसलिए अपने अध्ययन महत्वपूर्ण महत्व का है इन प्रणालियों के आणविक गतिशीलता को समझने की।
एनएमआर में गतिशील विनिमय की क्लासिक हस्ताक्षर तापमान परिवर्तन के रूप में एनएमआर संकेतों की लाइन-आकार में एक नाटकीय परिवर्तन है। कम तापमान पर, प्रक्रिया धीमी है और दो अलग रासायनिक पारियों obser हैंवेद। उच्च तापमान पर, दो संकेत हैं, जो "एकीकरण" के रूप में जाना जाता है एक संकेत है, में विलय। मध्यवर्ती तापमान पर, संकेतों बहुत व्यापक हो गया है। रासायनिक आदान-प्रदान करने के लिए एनएमआर स्पेक्ट्रम की इस संवेदनशीलता एनएमआर समाधान में अणुओं की गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए एक बहुत शक्तिशाली विधि बनाता है। इसके अलावा लाइन आकार विश्लेषण, 4-7 और स्पिन संतृप्ति हस्तांतरण प्रयोगों 8-9, यह भी उलटा हस्तांतरण विधि 10 और CIFIT कार्यक्रम 11 उल्लेख के लायक है: दो तरीकों मुख्य रूप से समाधान में गतिशील प्रक्रियाओं के अध्ययन में नियोजित किया गया है। दर स्थिरांक, कि सरल प्रणाली में विनिमय मापन के लिए एक अपेक्षाकृत कुशल दृष्टिकोण हैं के प्रत्यक्ष निष्कर्षण। हालांकि इन तरीकों ज्यादातर मामलों में बहुत अच्छे परिणाम देते हैं, वे हैं, हालांकि, कमियों के एक नंबर है। लाइन-आकार विश्लेषण के मुख्य नुकसान उच्च कुछ नमूनों में संघीकरण तक पहुंचने के लिए तापमान की जरूरत है, जब सीए पर विचार करने के लिए है। 12 मुख्य मुद्दोंबाहर rrying स्पिन संतृप्ति हस्तांतरण प्रयोगों हैं: बहुत लंबे संतृप्ति का आदान प्रदान साइटों के बीच स्थिर राज्य संतृप्ति हस्तांतरण तक पहुँचने के लिए आवश्यक समय है, और जो मुश्किल हो सकता है अनुदैर्ध्य विश्राम का समय निरंतर, टी 1 निर्धारित करने की आवश्यकता है, अगर वहाँ अलग से ओवरलैप अध्ययन के क्षेत्र में संकेत है। 13
Organometallic तंत्र में हमारी जांच के हिस्से के रूप में, 14-16 हमारे समूह समाधान में प्लैटिनम allene परिसरों का संगणन संबंधी व्यवहार का अध्ययन किया जाता है। यह एक जटिल काम है कि कम से कम तीन अलग अलग प्रक्रियाओं, उनमें से एक π वाली चेहरा मुद्रा या allene अक्ष में से एक के आसपास धातु के रोटेशन की जा रही शामिल है। हम सामना करना पड़ा है कि सामान्य वीटी प्रयोगों और लाइन-आकार विश्लेषण तकनीक है कि इसी तरह की प्रणाली में पहले नियोजित किया गया, 17-19 नहीं हमारे अध्ययन में उपयुक्त है, हमारे प्लैटिनम allene परिसर में एक बहुत ही धीमी गति रोटेशन इस बात का संघीकरण तापमान बना के कारण थे हस्ताक्षरब्याज परिसर के अपघटन के तापमान की तुलना में अधिक के nals।
आदेश में इस सीमा को पार करने के लिए, हम विकसित किया है और हाल ही में एक नया एनएमआर प्रोटोकॉल (SSTD एनएमआर) आपसी साइट रासायनिक आदान-प्रदान की प्रक्रिया का अध्ययन करने की सूचना दी। 20 नाम इस विधि स्पिन संतृप्ति स्थानांतरण छोटे अणुओं के लिए प्रयोग किया जाता विधि को जोड़ती है, के साथ पता चलता है संतृप्ति स्थानांतरण अंतर एनएमआर विधि रासायनिक विनिमय के दौर से गुजर छोटे अणुओं में संतृप्ति बार (बिल्ड-अप घटता) में वृद्धि के साथ क्षणिक स्पिन संतृप्ति हस्तांतरण को मापने के द्वारा प्रोटीन ligand बातचीत के अध्ययन, 21-24 के लिए कार्यरत हैं।
इस नई विधि (SSTD एनएमआर) के साथ हम से पता चला है कि हम पारंपरिक तरीकों पर कुछ अतिरिक्त लाभ के साथ छोटे कार्बनिक अणुओं और organometallic में इंट्रामोलीक्युलर रासायनिक आदान-प्रदान की गतिज मानकों को प्राप्त कर सकते हैं: संकेतों के एकीकरण की जरूरत नहीं है, तो एक और अधिक लचीला तापमान रेंज इस्तेमाल किया जा सकता हैपढ़ाई में; संकेत ओवरलैप हस्तक्षेप नहीं करता है, हालांकि आदान प्रदान अनुनादों के कम से कम एक अलग किया जाना चाहिए; मापने के लिए टी 1 या स्थिर राज्य संतृप्ति तक पहुंचने की कोई जरूरत नहीं है; दर स्थिर मूल्यों सीधे मापा जाता है और टी 1 मूल्यों ही प्रयोग में प्राप्त कर रहे हैं, प्रयोगों का केवल एक सेट का उपयोग कर। SSTD एनएमआर कार्यप्रणाली का एक अन्य लाभ यह है कि उल्लेखनीय है, इसके विपरीत विश्लेषण lineshape करने के लिए, कैनेटीक्स दर स्थिरांक के निर्धारण के संघीकरण उच्च चुंबकीय क्षेत्र के साथ जुड़े तापमान में वृद्धि के द्वारा ही सीमित नहीं है। इस प्रकार, हमारी कार्यप्रणाली तो बहुत अच्छी तरह से दोनों कम और उच्च चुंबकीय क्षेत्र के लिए विनियोजित है। इस लेख में मदद करने के लिए नए उपयोगकर्ताओं रासायनिक विनिमय के दौर से गुजर अपने सिस्टम को इस नई पद्धति लागू करना है, और नमूना तैयार करने, प्रयोगात्मक सेट अप, डाटा अधिग्रहण, और एक सरल जैविक अणु में डाटा प्रोसेसिंग और विश्लेषण का एक उदाहरण का वर्णन है।
Protocol
Representative Results
Discussion
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.
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
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).
Materials
| 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 |
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