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.
Ce protocole détaillé décrit la nouvelle différence Spin Saturation de transfert magnétique nucléaire protocole de résonance (SSTD RMN), récemment mis au point dans notre groupe pour étudier les processus de site mutuelle échange chimique qui sont difficiles à analyser par les méthodes traditionnelles. Comme son nom l'indique, cette méthode combine la méthode Spin Saturation de transfert utilisé pour les petites molécules, avec la différence Saturation de transfert de méthode (STD) RMN utilisé pour l'étude des interactions protéine-ligand, par mesure transitoire transfert de saturation de spin le long augmentation du temps de saturation (build courbes -up) dans de petites molécules organiques et organométalliques subissant échange chimique.
Les avantages de cette méthode par rapport à ceux qui existent déjà sont: il n'y a pas besoin d'atteindre coalescence des signaux d'échanger; le procédé peut être appliqué aussi longtemps comme un seul signal des sites d'échanger est isolé; il n'y a pas besoin de mesurer T 1 ou atteindre la saturation d'état stable; taux constant vaLues sont mesurées directement et T 1 valeurs sont obtenues dans la même expérience, en utilisant seulement une série d'expériences.
Pour tester la méthode, nous avons étudié la dynamique de la rotation encombrée de N, N -dimethylamides, pour lesquels des données sont disponibles concernant la comparaison. Les paramètres thermodynamiques obtenus en utilisant SSTD sont très semblables à celles rapportées (techniques de transfert de spin-saturation et analyse en ligne en forme). Le procédé peut être appliqué à des substrats plus complexes qui ne peuvent pas être étudiés par des méthodes précédentes.
Nous envisageons que le simple expérimental mis en place et la large applicabilité de la méthode à une grande variété de substrats allons faire une technique courante parmi les chimistes organiques et organométalliques sans une grande expertise en RMN.
échange chimique se rapporte généralement à tout procédé intermoléculaire ou intramoléculaire, dans lequel le noyau se déplace d'un environnement à un autre, dans lequel les paramètres de RMN (de déplacement chimique, couplage scalaire, le couplage dipolaire, la vitesse de relaxation) diffèrent. Il existe de nombreux exemples d'échanges chimiques dans les molécules organiques et organométalliques (par exemple, les barrières de rotation dans biaryles, les barrières de retournement de cycle et équilibre conformationnel, inversion de l' azote, la liaison du ligand, échange de ligand dégénérée et tautomérisation). 1-3 Le taux de change chimique est liée à la thermodynamique de la barrière du processus d'échange, et donc son étude est d'une importance cruciale pour comprendre la dynamique moléculaire de ces systèmes.
Le signe classique d'échange dynamique en RMN est un changement radical dans la ligne-forme des signaux de RMN que les changements de température. A basse température, le processus est lent et deux déplacements chimiques distincts sont observed. A des températures élevées, les deux signaux se confondent en un seul signal, ce qui est connu comme «coalescence». A des températures intermédiaires, les signaux deviennent très large. Cette sensibilité du spectre RMN à l'échange chimique rend RMN une méthode très puissante pour étudier la dynamique des molécules en solution. Deux méthodes ont été principalement utilisés dans l'étude des processus dynamiques en solution:. Analyse ligne de forme, 4-7 et de saturation de spin des expériences de transfert 8-9 En outre, il convient également de mentionner la méthode 10 et le CIFIT transfert d'inversion programme 11 pour l'extraction directe des constantes de vitesse, qui sont une approche relativement efficace pour les mesures de change dans les systèmes simples. Bien que ces méthodes donnent de très bons résultats dans la plupart des cas, ils ont cependant un certain nombre d'inconvénients. Le principal inconvénient de l'analyse line-forme est les hautes températures nécessaires pour atteindre coalescence dans certains échantillons. 12 Les principales questions à considérer lorsque camissible sur rotation des expériences de transfert de saturation sont: les temps de saturation très longs nécessaires pour atteindre le transfert de saturation de l' état d' équilibre entre les sites d' échanger, et la nécessité de déterminer le temps de relaxation longitudinale constante, T 1, qui peut être difficile s'il y a chevauchement des différentes les signaux dans la région d'étude. 13
Dans le cadre de nos enquêtes dans les mécanismes organométalliques, 14-16 notre groupe étudie le comportement fluxional des complexes platine-allène en solution. Ceci est une tâche complexe qui implique au moins trois processus différents, l'un d'entre eux étant l'échange ou la rotation π-face du métal autour d'un des axes de allène. Nous avons rencontré ce normal expériences VT et les techniques d'analyse en ligne en forme qui ont été employées auparavant dans des systèmes similaires, 17-19 ne convenaient pas dans notre étude, en raison d'une rotation très lente dans notre complexe de platine-allène qui a fait la température de coalescence de la signaux d'intérêt supérieur à la température de décomposition du complexe.
Afin de surmonter cette limitation, nous avons développé et récemment rapporté un nouveau protocole de RMN (SSTD RMN) pour étudier les processus de site mutuelle échange chimique. 20 Comme son nom l' indique cette méthode combine la méthode Spin Saturation de transfert utilisé pour les petites molécules, avec le la différence de transfert de saturation RMN.Procédé utilisée pour l'étude des interactions protéine-ligand, 21-24 en mesurant le transfert de saturation de rotation transitoire le long de l' augmentation du temps de saturation (courbes build up) dans les petites molécules subissant l' échange chimique.
Avec cette nouvelle méthode (SSTD RMN), nous avons montré que nous pouvons obtenir les paramètres cinétiques d'échange chimique intramoléculaire dans les petites molécules organiques et organométalliques avec des avantages supplémentaires par rapport aux approches traditionnelles: coalescence des signaux est pas nécessaire, donc une plage de température plus flexible peut être utilisédans l'étude; chevauchement du signal ne perturbe pas, bien qu'au moins l'une des résonances de l'échange doit être isolé; il n'y a pas besoin de mesurer T 1 ou atteindre la saturation d'état stable; taux des valeurs constantes sont mesurées directement et T 1 valeurs sont obtenues dans la même expérience, en utilisant seulement une série d'expériences. Un autre avantage remarquable de la méthode RMN SSTD est que, contrairement à la forme de ligne d'analyse, la détermination des constantes cinétiques de vitesse ne soit pas limitée par l'augmentation des températures de coalescence associées à des champs magnétiques élevés. Ainsi, notre méthodologie est alors très bien approprié pour les deux champs magnétiques basse et haute. Cet article est destiné à aider les nouveaux utilisateurs appliquent cette nouvelle méthode à leurs propres systèmes en cours d'échange chimique, et décrit la préparation d'échantillons, dispositif expérimental, l'acquisition de données, et un exemple de traitement et d'analyse des données dans une molécule organique 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 |