Spin Verzadiging Transfer Verschil NMR (SSTD NMR): een nieuw instrument te verkrijgen kinetische parameters van het chemisch Exchange Processen
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
Deze gedetailleerde protocol beschrijft de nieuwe Spin Verzadiging Transfer Difference Nuclear Magnetic Resonance protocol (SSTD NMR), recent ontwikkelde in onze groep om processen van wederzijdse eigen chemische uitwisseling die moeilijk te analyseren door de traditionele methoden te bestuderen. Zoals de naam al doet vermoeden, deze methode combineert de Spin Verzadiging Transfer methode gebruikt voor kleine moleculen, met de verzadiging Transfer Difference (STD) NMR-methode gebruikt voor de studie van eiwit-ligand interacties, door het meten van voorbijgaande draai verzadiging overdracht langs toenemende verzadiging keer (op te bouwen -up curves) in kleine organische en organometallische moleculen ondergaan chemische uitwisseling.
Voordelen van deze methode boven bestaande zijn: er is geen noodzaak om coalescentie van de uitwisseling van signalen bereikt; de methode kan worden toegepast zolang één signaal van de uitwisseling gebieden wordt geïsoleerd; er is geen noodzaak om T 1 meten of te bereiken steady state verzadiging; snelheidsconstante values rechtstreeks gemeten en T1 waarden worden verkregen in hetzelfde experiment met alleen een reeks experimenten.
Om de methode te testen, hebben we de dynamiek van de gehinderde rotatie van N, N -dimethylamides, waarvoor veel gegevens beschikbaar ter vergelijking onderzocht. De thermodynamische parameters verkregen middels SSTD zijn vergelijkbaar met de gerapporteerde die (spin-verzadiging transfer technieken en lijn-vorm analyse). De werkwijze kan worden toegepast om meer uitdagende substraten die niet kunnen worden bestudeerd door eerdere werkwijzen.
Wij voorzien dat de eenvoudige experimentele opstelling en de brede toepasbaarheid van de methode om een grote verscheidenheid aan substraten zal dit een veelgebruikte techniek onder organische en organometallische chemici zonder uitgebreide expertise in NMR maken.
Introduction
Chemische uitwisseling gewoonlijk betrekking op elk intermoleculaire of intramoleculaire waarbij een kern van de ene omgeving naar de andere, waarbij de parameters NMR (chemische verschuiving, scalaire koppeling, dipolaire koppeling ontspanningsgraad) verschillen. Er zijn talloze voorbeelden van chemische uitwisseling in organische en organometallische moleculen (bijv rotatie barrières in biarylen, ring flipping barrières en conformatie evenwicht, stikstofinversie, ligandbinding, gedegenereerde ligand uitwisseling en tautomerisatie). 1-3 De chemische wisselkoers is gerelateerd aan de thermodynamica van de barrière van het ruilproces, en daarom zijn studie is van cruciaal belang voor moleculaire dynamica van deze systemen te begrijpen.
Het klassieke teken van dynamische uitwisseling in NMR is een dramatische verandering in de line-vorm van de NMR-signalen als de temperatuur verandert. Bij lage temperaturen, het proces is langzaam en twee verschillende chemische verschuivingen opmer-ved. Bij hoge temperaturen, de twee signalen samenvoegen in een signaal, dat bekend staat als "coalescentie". Bij tussenliggende temperaturen, de signalen worden zeer breed. Deze gevoeligheid van het NMR spectrum van chemische uitwisseling NMR maakt een krachtige methode om de dynamica van moleculen in oplossing te bestuderen. Twee methoden zijn voornamelijk werkzaam in de studie van dynamische processen in oplossing:. Line-vorm analyse, 4-7 en draai de verzadiging overdracht experimenten 8-9 Trouwens, het is ook het vermelden waard de inversie overdrachtsmethode 10 en de CIFIT programma 11 voor de directe winning van snelheidsconstanten, dat zijn een relatief efficiënte aanpak voor de uitwisseling metingen in eenvoudige systemen. Hoewel deze methoden zeer goede resultaten in de meeste gevallen, ze hebben echter een aantal nadelen. Het belangrijkste nadeel van de lijn-vorm analyse is de hoge temperaturen die nodig is om samenvoeging te bereiken in een aantal monsters. 12 de belangrijkste kwesties om te overwegen wanneer carrying out rotatie verzadiging overdrachtsexperimenten zijn: de lange verzadiging tijd nodig om de steady state verzadiging transfer van het uitwisselen plaatsen bereikt, en de noodzaak om de longitudinale relaxatietijd constante, T 1 bepalen, die moeilijk kan zijn als er overlap van verschillende signalen in het gebied van onderzoek. 13
Als onderdeel van ons onderzoek in organometallische mechanismen, is 14-16 onze fractie het bestuderen van de veranderlijke gedrag van platina allene-complexen in oplossing. Dit is een complexe taak die tenminste drie verschillende processen, één daarvan is de π-face uitwisseling of rotatie van het metaal rond een van de alleenoxidesynthasefamilie as omvat. We ondervonden dat de normale VT experimenten en analysetechnieken lijn-vorm die eerder zijn toegepast in soortgelijke systemen, 17-19 waren niet geschikt voor onze studie, door een zeer langzame rotatie in onze platina allene complex dat de coalescentie temperatuur van de gemaakte signals van rente hoger is dan de temperatuur van ontleding van het complex.
Om deze beperking te overwinnen, ontwikkelden wij en meldde onlangs een nieuwe NMR protocol (SSTD NMR) processen van wederzijdse eigen chemische uitwisseling bestuderen. 20 Zoals de naam suggereert deze methode combineert de Spin Verzadiging Transfer methode voor kleine moleculen, met verzadiging Transfer Verschil NMR-methode gebruikt voor de studie van eiwit-ligand interacties, 21-24 door het meten van voorbijgaande draai verzadiging overdracht langs toenemende verzadiging tijden (opbouw curves) in kleine moleculen ondergaan chemische uitwisseling.
Met deze nieuwe methode (SSTD NMR) hebben wij aangetoond dat we de kinetische parameters van intramoleculaire chemische uitwisseling in kleine organische en organometallische moleculen met een aantal extra voordelen ten opzichte van traditionele benaderingen kunnen verkrijgen: coalescentie van de signalen is niet noodzakelijk, zodat een flexibeler temperatuurbereik kan worden gebruiktin de studie; signaal overlap niet stoort, maar ten minste één van de uitwisseling resonanties moeten worden geïsoleerd; er is geen noodzaak om T 1 meten of te bereiken steady state verzadiging; snelheidsconstante waarden direct gemeten en T1 waarden worden verkregen in hetzelfde experiment met alleen een reeks experimenten. Een ander opmerkelijk voordeel van de SSTD NMR methode is dat, in tegenstelling tot analyse lineshape, de bepaling van de kinetica snelheidsconstanten wordt niet beperkt door de toename van coalescentie temperaturen geassocieerd met hoge magnetische velden. Zo is onze methodologie dan heel goed toegeëigend zowel lage als hoge magnetische velden. Dit artikel is bedoeld om nieuwe gebruikers deze nieuwe methode toepassen op hun eigen systemen ondergaan chemische uitwisseling, en beschrijft de bereiding van de monsters, experimentele set-up, data-acquisitie, en een voorbeeld van de verwerking van gegevens en analyse in een eenvoudige organische molecuul.
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.
Divulgazioni
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 |
Riferimenti
- 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).
