Спин Насыщенность Передача Разница ЯМР (SSTD ЯМР): Новый инструмент для Получение кинетических параметров процессов химического обмена
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
Этот подробный протокол описывает новый Спин Насыщенность Передача разницы Магнитный протокол резонанса (ЯМР SSTD), недавно разработанной в нашей группе изучить процессы взаимного сайта химического обмена, которые трудно анализировать традиционными методами. Как следует из названия, этот метод сочетает в себе метод Спин Насыщенность переноса используется для малых молекул, с насыщением Transfer Difference (STD) ЯМР-метод, используемый для изучения белок-лиганд взаимодействий, путем измерения переходных процессов переноса насыщения спин вдоль увеличения времени насыщения (построить -До кривые) в небольших органических и металлоорганических молекул, проходящих химического обмена.
Преимущества этого метода по сравнению с существующими являются: нет необходимости достигать коалесценции обмена сигналами; метод может быть применен до тех пор, как один сигнал, обменивающихся сайтов изолирована; нет необходимости измерять T 1 или достичь устойчивого состояния насыщения; константа скорости валюэс измеряются непосредственно, а значения T 1 получены в том же самом эксперименте, используя только один набор экспериментов.
Для проверки метода, мы изучали динамику заторможенного вращения N, N -dimethylamides, для которых объем данных для сравнения. Термодинамические параметры, полученные с использованием SSTD очень похожи на сообщенных те (методы переноса спинового насыщения и анализа формы линий). Этот метод может быть применен к более сложных субстратах, которые не могут быть изучены с предыдущими методами.
Мы предполагаем, что простой Экспериментальная установка и широкая применимость метода к большому разнообразию субстратов будет сделать это распространенный метод среди органических и металлоорганических химиков без обширного опыта в ЯМР.
Introduction
Химический обмен обычно относится к любому межмолекулярного или внутримолекулярного процесса, в котором ядро движется из одной среды в другую, в которой его параметры ЯМР (химический сдвиг скалярной связи, дипольная сцепные, скорость релаксации) различаются. Существуют многочисленные примеры химического обмена в органических и металлоорганических молекул (например, вращательные барьеры в диарилы, кольцевых листать барьеров и конформационного равновесия, инверсии азота, связывание лиганда, вырожденный лиганд обмена и таутомеризации). 1-3 Обменный курс химической связано с термодинамика барьера процесса обмена, и поэтому его исследование имеет решающее значение для понимания молекулярной динамики этих систем.
Классическим признаком динамического обмена в ЯМР является резкое изменение формы линий ЯМР-сигналов при изменении температуры. При низких температурах процесс идет медленно и два различных химических сдвигов являются obserвед. При высоких температурах, два сигнала сливаются в один сигнал, который известен как "сращивания". При промежуточных температурах, сигналы становятся очень широким. Такая чувствительность спектра ЯМР для химического обмена делает ЯМР очень мощный метод для изучения динамики молекул в растворе. Два метода были в основном заняты в исследовании динамических процессов в растворе:. Анализ формы линий, 4-7 и насыщения спиновых экспериментов по передаче 8-9 Кроме того, также стоит упомянуть метод 10 и CIFIT передачи инверсии программу 11 для прямое извлечение констант скоростей, которые являются относительно эффективным подходом для обмена измерений в простых системах. Хотя эти методы дают очень хорошие результаты в большинстве случаев, они, тем не менее, имеют ряд недостатков. Основным недостатком анализа формы линий является высокая температура , необходимые для достижения сращивание в некоторых образцах. 12 Основные вопросы , которые следует учитывать при чаrrying эксперименты переноса насыщения спина являются: очень длительное время насыщения , необходимые для достижения устойчивого передачи состояния насыщения между обмениваемых участков, а также необходимость определения продольного постоянная времени релаксации, T 1, который может быть сложно , если есть перекрытие различных сигналы в области исследования. 13
В рамках наших исследований в области металлоорганических механизмов, 14-16 наша группа изучает нежесткости поведение платино-алленовых комплексов в растворе. Это сложная задача, которая включает в себя, по меньшей мере три различных процесса, один из которых является обмен π-лицо или поворот металла вокруг одной оси алленовых. Мы столкнулись , что нормальный VT эксперименты и методы анализа формы линий , которые были использованы ранее в подобных системах, 17-19 не были пригодны в нашем исследовании, из – за очень медленного вращения в нашем платино-алленовой комплекса , который сделал температуру сращивание сигналы интересов выше температуры разложения комплекса.
Для того чтобы преодолеть это ограничение, мы разработали и недавно сообщили о новом ЯМР – протокол (SSTD ЯМР) для изучения процессов взаимного сайта химического обмена. 20 Как следует из названия , этот метод сочетает в себе метод Спин Насыщенность переноса используется для малых молекул, с Насыщенность Передача Разница метод ЯМР используют для изучения белок-лиганд взаимодействий, 21-24 путем измерения переходных процессов переноса спинового момента насыщения вдоль увеличения времени насыщения (кривые строят вверх) в небольших молекул , проходящих химический обмен.
С помощью этого нового метода (SSTD ЯМР) мы показали, что мы можем получить кинетические параметры внутримолекулярного химического обмена в небольших органических и металлоорганических молекул с некоторыми дополнительными преимуществами по сравнению с традиционными подходами: сращивание сигналов не требуется, так что более гибкий диапазон рабочих температур может быть использованВ исследовании; перекрытие сигналов не мешает, хотя, по крайней мере один из обменивающихся резонансов должны быть изолированы; нет необходимости измерять T 1 или достичь устойчивого состояния насыщения; константа скорости значения измеряются непосредственно и значения T 1 получены в том же самом эксперименте, используя только один набор экспериментов. Еще одно замечательное преимущество методологии SSTD ЯМР является то, что, в отличие от LineShape анализа, определение констант кинетики скорости не ограничивается увеличением коалесценции температур, связанных с высокими магнитными полями. Таким образом, наша методология затем очень хорошо присвоила для низких и высоких магнитных полей. Эта статья предназначена, чтобы помочь новым пользователям применять этот новый метод их собственных систем, испытывающих химический обмен, и описывает подготовку образцов, экспериментальной установки, сбор данных, и пример обработки и анализа данных в простой органической молекулы.
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 |
References
- Bain, A. D. Chemical Exchange in NMR. Prog. Nuc. Mag. Res. Spect. 43, 63-103 (2003).
- Bain, A. D. Chemical Exchange. Modern Magnetic Resonance. , 421-427 (2006).
- Bain, A. D. Chapter 2 – Chemical Exchange. Ann. Rep. NMR Spect. 63, 23-48 (2008).
- Reeves, L., Shaddick, R., Shaw, K. Nuclear Magnetic Resonance Studies of Multi-site Chemical Exchange. III. Hindered Rotation in Dimethylacetamide, Dimethyl Trifluoro-acetamide, and Dimethyl Benzamide. Can. J. Chem. 49, 3683-3691 (1971).
- Drakenberg, T., Dahlqvist, K., Forsen, S. Barrier to Internal Rotation in Amides. IV. N,N-Dimethylamides. Substituent and Solvent Effects. J. Phys. Chem. 76, 2178-2183 (1972).
- Fujiwara, F., Airoldi, C. Carbon-13 NMR Study of the Barrier to Internal Rotation of N,N-Dimethylacetamide in the Adduct with Antimony(III) Chloride. J. Phys. Chem. 88, 1640-1642 (1984).
- Gutowsky, H. S., Holm, C. H. Rate Processes and Nuclear Magnetic Resonance Spectra. II. Hindered Internal Rotation of Amides. J. Chem. Phys. 25, 1228-1234 (1956).
- Forsen, S., Hoffman, R. A. A New Method for the Study of Moderately Rapid Chemical Exchange Rates Employing Nuclear Magnetic Double Resonance. Acta Chem. Scand. 17, 1787-1788 (1963).
- Forsen, S., Hoffman, R. A. Study of Moderately Rapid Chemical Exchange Reactions by Means of Nuclear Magnetic Double Resonance. J. Chem. Phys. 39, 2892-2901 (1963).
- Williams, T. J., Kershaw, A. D., Li, V., Wu, X. An Inversion Recovery NMR Kinetics Experiment. J. Chem. Educ. 88, 665-669 (2011).
- Bain, A. D., Cramer, J. A. Slow Chemical Exchange in an Eight-Coordinated Bicentered Ruthenium Complex Studied by One-Dimensional Methods. Data Fitting and Error Analysis. J. Magn. Res., Series A. 118, 21-27 (1996).
- Sandstrom, J. . Dynamic NMR Spectroscopy. , (1982).
- Castanar, L., Nolis, P., Virgili, A., Parella, T. Measurement of T1/T2 Relaxation Times in Overlapped Regions from Homodecoupled 1H Singlet Signals. J. Magn. Reson. 244, 30-35 (2014).
- Muñoz, M. P., de la Torre, M. C., Sierra, M. A. New Platinum-Catalysed Dihydroalkoxylation of Allenes. Adv. Synth. Catal. 352, 2189-2194 (2010).
- Muñoz, M. P., de la Torre, M. C., Sierra, M. A. Platinum-Catalysed Bisindolylation of Allenes: A Complementary Alternative to Gold Catalysis. Chem. Eur. J. 18, 4499-4504 (2012).
- Hurtado-Rodrigo, C., Hoehne, S., Muñoz, M. P. A New Gold-Catalysed Azidation of Allenes. Chem. Comm. 50, 1494-1496 (2014).
- Vrieze, K., Volger, H. C., Gronert, M., Praat, A. P. Intramolecular Rearrangements in Platinum–Tetramethylallene Compounds as Influenced by Ligands Trans to the Allene Group. J. Organometal. Chem. 16, 19-22 (1969).
- Vrieze, K., Volger, H. C., Praat, A. P. Complexes of Allenes with Platinum (II) and Rhodium (I). J. Organometal. Chem. 21, 467-475 (1970).
- Brown, T. J., Sugie, A., Leed, M. G. D., Widenhoefer, R. A. Structures and Dynamic Solution Behavior of Cationic, Two-Coordinate Gold(I)-π-Allene Complexes. Chem. Eur. J. 18, 6959-6971 (2012).
- Yang, W., Hashmi, S. K. Mechanistic Insights into the Gold Chemistry of Allenes. Chem. Soc. Rev. 43, 2941-2955 (2014).
- Quiros, M. T., Angulo, J., Munoz, M. P. Kinetics of Intramolecular Chemical Exchange by Initial Growth Rates of Spin Saturation Transfer Difference Experiments (SSTD NMR). Chem. Commun. 51, 10222-10225 (2015).
- Mayer, M., Meyer, B. Characterization of Ligand Binding by Saturation Transfer Difference NMR Spectroscopy. Ang. Chem. Int. Ed. 38, 1784-1788 (1999).
- Angulo, J., Nieto, P. STD-NMR: Application to Transient Interactions Between Biomolecules – A Quantitative Approach. Eur. Biophys. J. 40, 1357-1369 (2011).
- Kemper, S., Patel, M. K., Errey, J. C., Davis, B. G., Jones, J. A., Claridge, T. D. W. Group Epitope Mapping Considering Relaxation of the Ligand (GEM-CRL): Including Longitudinal Relaxation Rates in the Analysis of Saturation Transfer Difference (STD) Experiments. J. Magn. Reson. 203, 1-10 (2010).
- Berger, S., Braun, S. . 200 and More NMR Experiments: A Practical Course. , (2004).
- Cutting, B., Shelke, S. V., Dragic, Z., Wagner, B., Gathje, H., Kelm, S., Ernst, B. Sensitivity Enhancement in Saturation Transfer Difference (STD) Experiments Through Optimized Excitation Schemes. Magn Reson Chem. 45, 720-724 (2007).
- Ley, N. B., Rowe, M. L., Williamson, R. A., Howard, M. J. Optimising Selective Excitation Pulses To Maximize Saturation Transfer Difference NMR Spectroscopy. RSC Adv. 4, 7347-7351 (2014).
- Antanasijevic, A., Ramirez, B., Caffrey, M. Comparison of the Sensitivities of WaterLOGSY and Saturation Transfer Difference NMR Experiments. J. Biomol. NMR. 60 (1), 37-44 (2014).
- Jarek, R. L., Flesher, R. J., Shin, S. K. Kinetics of Internal Rotation of N,N-Dimethylacetamide: A Spin-Saturation Transfer Experiment. J. Chem. Ed. 74, 978-982 (1997).
- Forsen, S., Hoffman, R. A. Exchange Rates by Nuclear Magnetic Multiple Resonance. III. Exchange Reactions in Systems with Several Nonequivalent Sites. J. Chem. Phys. 40, 1189-1196 (1964).
