Development and application of modern pure shift NMR techniques and improved HSQC/HSQMBC experiments

Abstract

La presente tesis doctoral está centrada en el diseño y aplicación de nuevas metodologías de Resonancia Magnética Nuclear (RMN), con especial interés en (i) la obtención de espectros de RMN de protón homonuclearmente desacoplados (denominados “pure shift”) y (ii) la determinación de las constantes de acoplamiento homo- y heteronucleares en medio isotrópico y anisotrópico a través de nuevos experimentos HSQC y HSQMBC. La tesis se presenta como compendio de artículos, los cuales han sido ya publicados en revistas científicas internacionales de reconocido prestigio, de modo que todos los resultados aquí expuestos han sido previamente evaluados y analizados por investigadores expertos en el campo de la RMN y de la química. Durante esta tesis doctoral se han diseñado una gran variedad de nuevos experimentos “pure shift”. La mayoría de ellos están basados en la técnica HOBS (Homodecoupled Band-Selective) mediante la cual es posible obtener espectros “pure shift” con una elevadísima resolución espectral manteniendo la máxima sensibilidad. El método HOBS ha sido incorporado en una gran variedad de experimentos 1D/2D convencionales los cuales han sido aplicados con éxito en la medida simple y precisa de tiempos de relajación T1 y T2 en áreas congestionadas, en la medida de contantes de acoplamiento heteronuclear a partir de multipletes simplificados, en la determinación de pequeñas diferencias de desplazamiento químico en estudios de enantiodiferenciación y en el análisis de mezclas complejas. Por otro lado, la medición y el uso práctico de las constantes de acoplamiento ha sido un importante tema de estudio en el campo de la RMN durante muchos años, pero todavía hay una serie de problemas sin resolver. Durante esta tesis doctoral se han desarrollado nuevos experimentos HSQC y HSQMBC, que permiten llevar a cabo la medida precisa y exacta de las constantes de acoplamientos a través del análisis simple y directo de los picos y sin la necesidad de utilizar complejos post-procesamientos.

The present doctoral thesis is framed within the Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopy field, more specifically in the design of modern NMR methodologies. The research work carried out is focused on the design and application of new and modern NMR methodologies (i) to perform efficient broadband 1H homodecoupling in 1D/2D NMR experiments and (ii) to accurately determine homo- and heteronuclear coupling constants in isotropic and anisotropic conditions through improved HSQC and HSQMBC-type experiments. The thesis is presented as a compendium of publications, which have been published in prestigious peer-reviewed international scientific journals. Therefore, all the results here exposed have been previously evaluated by expert researchers in the fields of the NMR spectroscopy and chemistry. Several 1H homodecoupled NMR experiments have been developed along this doctoral thesis. Most of them are based on the Homodecoupled Band-Selective (HOBS) experiment through which it is possible to obtain homodecoupled NMR spectra with full sensitivity. HOBS methods offer a powerful and simple way to obtain high-resolved 1D and 2D NMR spectra, as efficiently demonstrated for the accurate, simple and direct measurement of T1/T2 relaxation times in overlapped regions, the determination of heteronuclear coupling constants from simplified multiplets, the determination of very small chemical shift differences with success application in enantiodifferentation studies or the analysis of highly complex mixtures. In addition, the concept of ultra-high-resolution NMR spectroscopy has been tested by combining several resolution-enhanced techniques into a single NMR experiment. On the other hand, for many years the measurement and practical use of coupling constants have been a timely topic but there are still a number of unresolved issues. Along this doctoral thesis a suite of robust HSQC and HSQMBC experiments have been developed which provide accurate and precise measurements of couplings constants through simple and direct analysis of cross-peaks without involving complex post-processing data manipulation.