Enhanced measurement of anisotropic NMR parameters using tunable alignment strength and tensor orientation

• Applicant: Professor Dr. Burkhard Luy
• Subject Area: Analytical Chemistry
• Term: from 2008 to 2016
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 44192252

• Final Report Year: 2015

Final Report Abstract

Ziel des in zwei Förderperioden bearbeiteten Projektes war die Entwicklung neuer Methoden zur Konfigurationsbestimmung von organischen Molekülen mit Hilfe von restlichen anisotropen NMR-Parametern. Hierzu gehört die Entwicklung von Orientierungsmedien genauso, wie die Skalierung der Orientierung, Verbesserung von NMR-Pulssequenzen und die Interpretation der gewonnenen Daten. Insbesondere achirale Orientierungsmedien zur relativen Konfigurationsbestimmung konnten für eine Vielzahl von Molekülklassen und Lösungsmittel entwickelt werden. Neben PU als sehr kostengünstig zu produzierendem Medium, wurden perdeuterierte Gele ohne 1H-Polymersignale entwickelt. PEO schließlich wurde als Allround-Orientierungsmedium synthetisiert und eingehend charakterisiert, das ein sehr breites Lösungsmittelspektrum und gute NMR-spektroskopische Eigenschaften besitzt. Die Skalierung von anisotropen NMR-Parametern schließlich wurde durch zwei Techniken ermöglicht, die im Rahmen des Projektes zur Anwendungsreife gebracht wurden: Variable Angle-NMR (VA-NMR), in der die Streckrichtung eines gestreckten Gels relativ zum Magnetfeld verändert wird und eine Elastomeren-basierte Streckapparatur, mit der sich der Streckungsgrad eines Gels stufenfrei einstellen lässt. Mit beiden Methoden konnte die Messung von restlicher anisotroper chemischer Verschiebungsanisotropie (RCSA) durchgeführt werden. Eine Vielzahl von Verbesserungen in Pulssequenzen zur Messung von RDCs wurde eingeführt – so etwa COB/COB3-Bausteine, die für die große Bandbreite von heteronuklearen Kopplungen in partiell orientierten Proben kompensiert sind, sowie BIRD-basierte homonukleare Entkopplungssequenzen, tilt-basierte Entkopplung von HMBC-artigen Spektren und die Messung von RDCs aus 2D-Spektren mit Akquisitionszeiten unter 30s. Für die unvoreingenommene Bestimmung relativer Konfiguration an teilweise flexiblen Molekülen wurden MD-Simulationen mit orientierenden Randbedingungen durchgeführt, optimiert und entsprechend charakterisiert. Die Methode ist äußerst vielversprechend und könnte sich als Standardmethode bei der relativen Konfigurationsbestimmung durchsetzen. Bei der Vorhersage der Orientierung wurde das Cross-Fitting von RDCs möglichst ähnlicher Molekülstrukturen, sowie die de novo Bestimmung der Orientierung aus MD-Simulationen mit fixiertem Polymer entwickelt. Insbesondere die letztere Methode hat mit einem Polyacetylen als chiralem Polymer in der Gruppe Han Sun/Griesinger zur erfolgreichen Bestimmung absoluter Chiralität geführt. Die Leistungsfähigkeit der entwickelten Methoden und von restlichen anisotropen NMR-Parametern allgemein konnten in einer Vielzahl von Anwendungen zur Bestimmung von Konformation, Konfiguration, Konstitution und Enantiomerenüberschuss gezeigt werden.

Publications

• "RDC enhanced NMR spectroscopy in organic solvent media: the importance for the experimental determination of periodic hydrogen bonded secondary structures", J. Am. Chem. Soc. 131, 15590-15591 (2009)
  M. Udaya Kiran, A. Sudhakar, J. Klages, G. Kummerlöwe, B. Luy, B. Jagadeesh
  
• "Artefact-Free Measurement of Residual Dipolar Couplings in DMSO by the Use of Cross-Linked Perdeuterated Poly(acrylonitrile) as Alignment Medium", Chem. Commun. 46, 8273-8275 (2010)
  G. Kummerlöwe, M. Behl, A. Lendlein, B. Luy
  
• "Tunable alignment for all polymer gel/solvent combinations for the measurement of anisotropic NMR parameters", Chem. Eur. J. 16, 7087-7089 (2010)
  G. Kummerlöwe, E.F. McCord, S.F. Cheatham, S. Niss, R.W. Schnell, B. Luy
  
• "Residual Chemical Shift Anisotropy (RCSA): A Tool for the Analysis of the Configuration of Small Molecules", Angew. Chem. Int. Ed. 50, 9487-9490 (2011)
  F. Hallwass, M. Schmidt, H. Sun, A. Mazur, G. Kummerlöwe, B. Luy, A. Navarro-Vázquez, C. Griesinger, U. M. Reinscheid
  
• "Variable Angle NMR Spectroscopy and Its Application to the Measurement of Residual Chemical Shift Anisotropy", J. Magn. Reson. 209, 19-30 (2011)
  G. Kummerlöwe, S. Grage, C. M. Thiele; I. Kuprov, A. S. Ulrich, B. Luy
  
• Dipolare Restkopplungen als effektives Instrument der Konstitutionsanalyse: die unerwartete Bildung tricyclischer Verbindungen", Angew. Chem. 123, 2693-2696 (2011); Angew. Chem. Int. Ed. 50, 2643-2645 (2011)
  G. Kummerlöwe, B. Crone, M. Kretschmer, S. F. Kirsch, B. Luy
  
• "Is Enantiomeric Assignment Possibly by NMR Using Residual Dipolar Couplings from Chiral Non-Racemic Alignment Media? - A Critical Assessment", Angew. Chem. Int. Ed. 51, 8388- 8391 (2012)
  R Berger, J. Courtieu, R. R. Gil, C. Griesinger, M. Köck, P. Lesot, B. Luy, D. Merlet, A. Navarro-Vázquez, M. Reggelin, U. M. Reinscheid, C. M. Thiele, M. Zweckstetter
  
• "Crosslinked Poly(ethylene oxide) as a Versatile Alignment Medium for the Measurement of Residual Anisotropic NMR Parameters" Angew. Chem. Int. Ed. 52, 10309-10312 (2013)
  C. Merle, G. Kummerlöwe, J. C. Freudenberger, F. Halbach, W. Stöwer, C. L. v. Gostomski, J. Höpfner, T. Beskers, M. Wilhelm, B. Luy
  
• "Homonuclear BIRD-Decoupled Spectra for Measuring One-Bond Couplings with Highest Resolution: CLIP/CLAP-RESET and Constant-Time-CLIP/CLAP- RESET", J. Magn. Reson. 239, 110-120 (2014)
  T. Reinsperger, B. Luy
  
• "Rapid Heteronuclear Single Quantum Correlation NMR Spectra at Natural Abundance", J. Am. Chem. Soc. 136, 1242-1245 (2014)
  D. Schulze-Sunninghausen, J. Becker, B. Luy
  
• "Robust INEPT and refocused INEPT transfer with compensation of a wide range of couplings, offsets, and B1-field inhomogeneities (COB3)", J. Magn. Reson. 247, 111-117 (2014)
  S. Ehni, B. Luy
  
• "Direct prediction of residual dipolar couplings of small molecules in a stretched gel by stochastic molecular dynamics simulations", Magn. Reson. Chem. 53, 213-217 (2015)
  A. O. Frank, J. C. Freudenberger, A. K. Shaytan, H. Kessler, B. Luy