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Evaluation der Genauigkeit der RDC-Extraktion aus CLIP-Experimenten I

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I. Timári, L. Kaltschnee, A. Kolmer, R. W. Adams, M. Nilsson, C. M. Thiele, G. A. Morris, K. E. Kövér
Accurate determination of one-bond heteronuclear coupling constants with „pure shift“ broadband proton-decoupled CLIP/CLAP-HSQC experiments
J. Magn. Reson. 2014, 239, 130-138.

Es wird eine Methode an starren Molekülen evaluiert, die die Auflösung eines Korrelationsexperimentes, des HSQCs, und einer Variante davon, verbessert. Das Hauptaugenmerk liegt auf der Extraktion heteronuklearer Kopplungskonstanten direkt gebundener Kerne zur RDC-Bestimmung. Im Falle kleiner organischer Moleküle erfolgt die Messung von 1JCH– und 1TCH-Konstanten häufig mit Hilfe des CLIP/CLAP-HSQC-Experiments[1]. Die Kopplungskonstante wird hierbei in der direkten Dimension abgelesen. Dies erlaubt eine hohe Auflösung bei geringem Messaufwand zu erzielen. Die Möglichkeit, sowohl inphase- als auch antiphase-Signale zu erzeugen kann zudem im Falle von Überlagerungen nützlich sein.

Ein Nachteil der Methode ist, dass eine eventuell vorhandene 1H-1H-Kopplung sichtbar ist. Die Multiplizität des entstehenden Signals ist damit meist deutlich komplizierter als die des gewünschten reinen 1JCH-Dubletts.

Im anisotropen Medium sorgen die 1H-1H-Kopplungen, die nun durch dipolare Kopplungen verstärkt sein können, dafür, dass die Linienbreite der beiden Dublettäste deutlich erhöht wird. Zur genauen Extraktion von Kopplungskonstanten kann dies hinderlich sein, je kleiner die Linienbreite, desto genauer kann die Kopplungskonstante extrahiert werden. Neben der Linienbreite kann eine Verringerung von aufgrund von Signalüberlagerungen und Effekten starker Kopplung entstehende Asymmetrien der Signale zu einer deutlichen Erhöhung in der Genauigkeit der Kopplungskonstantenmessung führen. Für die RDC-Analyse ist eine genaue Messung der Kopplungskonstanten unabdingbar. Besonders bei sehr schwachem Alignment kann der Fehler der anisotropen Messung in der Größenordnung der gewonnenen RDC liegen, sodass eine Auswertung nicht aussagekräftig ist.

Es ist somit wünschenswert, die Linienbreite deutlich zu reduzieren. Dies kann durch selektive Unterdrückung der 1H-1H-Kopplung geschehen, während die 1H-13C-Kopplung nicht unterdrückt wird, sondern sich entwickeln kann. Die selektive Unterdrückung erfolgt im hier diskutierten Fall durch Kombination des BIRD-Filters[2] mit einem 1H-Inversionspuls. Anschließend wird nur ein sehr kurzer Teil des FID aufgenommen, während dem sich keine homonukleare Kopplung entwickeln kann. Durch das Einführen einer Pseudodimension zum Sammeln mehrerer solcher kurzer FID-Teile kann analog zum Zangger-Sterk-Experiment[3] ein vollständiger FID in gewünschter Länge aufgenommen werden. Das Resultat ist ein Dublett, dessen Linienbreite im Falle der Unterdrückung homonuklearer Kopplungen reduziert sein kann. Eine auf diese Weise reduzierte Linienbreite kann eine genauere Extraktion der Kopplungskonstanten ermöglichen.

Die Anwendung dieser Methode wird im isotropen und im anisotropen Medium demonstriert. Getestet wurde dies von Timarí mit Tetranatrium-1-methyl-2,3,4-tri-O-sulfonato-6-deoxy-6-C-sulfonatomethyl-α-d-glucopyranosid 1, das in D2O und in einem Flüssigkristall nach Otting[4] zur RDC-Messung eingesetzt wurde. Diese in Kooperation der Arbeitskreise von Thiele, Kövér und Morris entwickelte Modifikation des CLIP-HSQC-Experiments erlaubt es somit, ein pure-shift-HSQC-Spektrum zu erhalten, in denen die Unterdrückung der Protonen-Protonen-Kopplung scharfe Singuletts erzeugt und Artefakte der starken Kopplung verringert werden. Durch leichte Modifikation des BIRD-CLIP-HSQC-Experiments kann außerdem ein heteroentkoppeltes BIRD-HSQC-Spektrum erhalten werden, dessen Intensitäten vergleichbar zu dem des RESET-HSQCs[5] ist. Besonders für automatisierte Signalerkennung und -zuordnung kann dies nützlich sein.

birdclip
Das untersuchte Molekül.

Gleichzeitig zu dieser Entwicklung und unabhängig von diesen Ergebnissen wurde von Reinsperger und Luy ebenfalls an einem BIRD-entkoppelten CLIP-HSQC-Experiment gearbeitet[6]. Die Publikation der Ergebnisse erfolgte parallel[6,7].

[1] A. Enthart, J. C. Freudenberger, J. Furrera, H. Kessler, B. Luy, J. Magn. Reson. 2008, 192, 314–322.
[2] J. R. Garbow, D. P. Weitekamp, A. Pines, Chem. Phys. Lett. 1982, 93, 504–509.
[3] K. Zangger, H. Sterk, J. Magn. Reson. 1997, 124, 486–489.
[4] M. Rückert, G. Otting, J. Am. Chem. Soc. 2000, 122, 7793–7797.
[5] P. Sakhaii, B. Haase, W. Bermel, J. Magn. Reson. 2009, 199, 192–198.
[6] T. Reinsperger, B. Luy, J. Magn. Reson. 2014, 239, 110–120.
[7] I. Timári, L. Kaltschnee, A. Kolmer, R. W. Adams, M. Nilsson, C. M. Thiele, G. A. Morris, K. E. Kövér, J. Magn. Reson. 2014, 239, 130-138.

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Dynamische NMR-Untersuchungen an Bis-NHC-Komplexen

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A. Kolmer, L. Kaltschnee, V. Schmidts, L. H. Peeck, H. Plenio, C. M. Thiele
The influence of electronic modifications on rotational barriers of bis-NHC-complexes as observed by dynamic NMR spectroscopy
Magn. Reson. Chem. 2013, 51, 695-700.

Die Klasse der Bis-NHC-Komplexe ist eine vielversprechende Klasse an Präkatalysatoren für die Olefinmetathese sterisch anspruchsvoller Substrate. Die Komplexe 1, 2, 3 und 4 wurden von Peeck und Plenio hergestellt [1]. Die Bis-NHC-Komplexe tragen je zwei NHC-Liganden. Zum einen den SIMes-Liganden, und zum anderen einen als NHCewg bezeichneten Liganden, an dem verschiedene Reste angebracht sein können, die dann die elektronenziehenden Eigenschaften des NHCewg bestimmen.

bisnhc-1
Die untersuchten Bis-NHC-Komplexe.

Die gezeigten Bis-NHC-Komplexe wurden außerdem per Cyclovoltammetrie hinsichtlich des Redoxpotentials des Ru-Zentralatoms charakterisiert und die katalytische Aktivität mittels der folgenden Ringschlussmetathese-Testreaktion untersucht [1].

bisnhc-2
Die von Peeck und Plenio untersuchte Ringschlussmetathesereaktion[1].

Es zeigt sich, dass der Trend der katalytischen Aktivität nicht dem Trend der Redoxpotentiale entspricht, sodass weitere Untersuchungen zum Verständnis der katalytischen Aktivität angestrebt wurden.

bisnhc-3
Umsatz-Zeit-Kurven der Bis-NHC-Komplexe[1]. Es zeigt sich, dass die Initiierungsgeschwindigkeit für 1, 2 und 3 mit zunehmendem E½ zunimmt. Für 4, dessen E½ noch größer ist, ist die Initiierungsgeschwindigkeit dagegen am niedrigsten.

Der erste Schritt des Mechanismus der Olefinmetathese ist die Umwandlung des Präkatalysators in die katalytisch aktive Spezies [2,3]. Dazu muss der NHCewg per Bindungsspaltung dissoziieren. Da als zweiter NHC stets SIMes genutzt wird, ist die katalytisch aktive Spezies im Falle der Komplexe 14 stets die gleiche. Sämtliche Unterschiede im katalytischen Verhalten müssen nach diesem Modell also aus dem Dissoziationsverhalten des NHCewg stammen. Dieses wiederum sollte von der Bindungsstärke der Ru-NHCewg-Bindung abhängig sein.

Daher wurden die Bindungsstärken der beiden Ru-NHC-Bindungen in der unter meiner Anleitung durchgeführten Bachelorarbeit von Haus [4] sowie im unter der Anleitung von Schmidts durchgeführten Forschungspraktikum von Kaltschnee [5] untersucht. Zuerst konnte durch qualitative Aufnahme von EASY-ROESY-Spekten [6] gezeigt werden, dass sich beide Bindungen im Regime des langsamen Austausches befinden. Dementsprechend werden die Methoden des langsamen Austausches angewendet.

Für die Bindungsstärke der beiden Ru-NHC-Bindungen lässt sich aufgrund der trans-Anordnung der beiden NHC-Liganden eine kompetitive Situation vermuten, da beide π-Rückbindungen mit dem gleichen d-Orbital des Ru-Zentralatoms wechselwirken. Die σ-Bindung sollte dagegen keiner kompetitiven Situation unterliegen und wird deshalb als unverändert angenommen. Es ist also vor allem die Stärke der π-Rückbindung, die sich in den veschiedenen Komplexen unterscheidet.

Es wird postuliert, dass die π-Rückbindungsstärke im Falle der vorliegenden Übergangsmetallkomplexe ein mittels NMR zugänglicher Parameter ist: Eine Rotation um die beobachteten Ru-NHC-Bindungen sollte nicht von der Stärke der rotationssymmetrischen σ-Bindung abhängen. Wird angenommen, dass sterische Einflüsse sowie intermolekulare Wechselwirkungen nur einen vernachlässigbaren Anteil der Bindungsrotationsbarriere darstellen, so stellt die experimentell beobachtete Rotationsbarriere um diese Bindungen ein gutes Maß für die π-Rückbindungsstärke dar. Die erforderlichen Rotationsbarrieren sind wiederum über die temperaturabhängige Messung der Austauschratenkonstanten k1 und k2 mittels Austauschspektroskopie zugänglich.

Im Falle des langsamen Austausches kann die Rotationsbarriere per quantitativer Austauschspektroskopie bestimmt werden [7,8]. Dazu wurden die Komplexe unter Ausschluss von Sauerstoff in CD2Cl2 gelöst und anschließend qualitativ auf den Temperaturbereich des langsamen Austausches untersucht. Mit Hilfe von 1D PFGSE NOE-Spektren [9–11] wurden dann die Rotationsbarrieren der beiden Ru-NHC-Bindungen untersucht, deren Auswertung mit Hilfe der PANIC-Methode erfolge [12,13] erfolgte.

Dabei zeigte sich für die Ru-SIMes-Bindung ein den Ergebnissen der Cyclovoltammetrie vergleichbarer Trend. Da der SIMes-Ligand nicht variiert wird, sollte dessen σ-Donorcharakters gleich bleiben und sich einzig die π-Rückbindung ändern. Die von der σ-Bindung getrennte Betrachtung der π-Bindung ist somit mit dieser Methode möglich. Diese Methode kann außerdem komplementär zur Cyclovoltammetrie genutzt werden, was besonders bei nicht redoxstabilen Verbindungen hilfreich sein kann.

Für die Ru-NHCewg-Bindung zeigte sich ein Verhalten, das dem der katalytischen Aktivität entspricht. Es ist somit zum ersten Mal für diese Katalysatorklasse gelungen, einen spektroskopischen Parameter zu finden, der den Trend der katalytischen Aktivität abbilden kann.

[1] V. Sashuk, L. H. Peeck, H. Plenio, Chem. Eur. J. 2010, 16, 3983–3993.
[2] P. Jean-Louis Hérisson, Y. Chauvin, Makromol. Chem. 1971, 141, 161–176.
[3] S. J. Connon, S. Blechert, Angew. Chem. 2003, 115, 1944–1968.
[4] M. Haus, Rotationskinetiken in Bis(NHC)-Komplexen, Bachelorarbeit, TU Darmstadt, 2011.
[5] L. Kaltschnee, Rotationskinetiken in Bis(NHC)-Komplexen, Studienarbeit, TU Darmstadt, 2011.
[6] C. M. Thiele, K. Petzold, J. Schleucher, Chem. Eur. J. 2009, 15, 585–588.
[7] H. Kessler, Angew. Chem. 1970, 82, 237–253.
[8] D. Neuhaus, M. P. Williamson, The Nuclear Overhauser Effect in Structural and Conformational Analysis, 2 Aufl., Wiley, Chichester, 2000.
[9] J. Stonehouse, P. Adell, J. Keeler, A. J. Shaka, J. Am. Chem. Soc. 1994, 116, 6037–6038.
[10] K. Stott, J. Stonehouse, J. Keeler, T.-L. Hwang, A. J. Shaka, J. Am. Chem. Soc. 1995, 117, 4199–4200.
[11] K. Stott, J. Keeler, Q. N. Van, A. J. Shaka, J. Magn. Reson. 1997, 125, 302–324.
[12] S. Macura, B. T. Farmer II, L. R. Brown, J. Magn. Reson. 1986, 70, 493–499.
[13] H. Hu, K. Krishnamurthy, J. Magn. Reson. 2006, 182, 173–177.