Disorder in solids probed by NMR chemical shielding using semi empirical dispersion corrected density functional theory

Titelangaben

Greim, Dominik:
Disorder in solids probed by NMR chemical shielding using semi empirical dispersion corrected density functional theory.
Bayreuth , 2020 . - XV, 134 S.
( Dissertation, 2020 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)
DOI: https://doi.org/10.15495/EPub_UBT_00005162

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Abstract

In dieser Arbeit wurden mit Hilfe von NMR Kristallographie fünf Kristallstrukturen von vier verschiedenen Verbindungen gelöst. Diese reichen von einer neuen Art anorganischer polymerer Anionen über metallorganische binukleare Aluminiumkomplexe bis hin zu organischen Pharmazeutika. Allen gemein ist, dass sie zu einem gewissen Grad Fehlordnung in ihrer Kristallstruktur aufweisen, welche durch eine Kombination von Festkörper nuklearer magnetischer Resonanz (FK NMR) und Methoden auf Basis der Dichtefunktionaltheorie (DFT) detailliert untersucht wurde. Letztere Methode umfasste die semi emprirische Korrektur von Dispersionswechselwirkungen und die Berechnung von NMR Parametern auf Basis der gauge including projector augmented wave Methode. Aufgrund der Größe der Einheitszellen der Verbindungen war es unmöglich diese durch konventionelle Herangehensweisen, wie z.B. den Superzellen-Ansatz zu berechnen. Deshalb musste auf einfachere, weniger anspruchsvolle Arten für die Berechnung zurückgegriffen werden, bei denen die Ergebnisse nur auf Variationen einzelner Einheitszellen beruhen. Mit diesen konnte sowohl die isotrope chemische Verschiebung der vorhandenen NMR aktiven Kerne, als auch die quadrupolare Kopplung von Spin > ½ Kernen der Verbindungen vorhergesagt werden. Dies ermöglichte eine Zuordnung von Signalen in FK NMR Experimenten, die durch die Strukturen ohne Fehlordnung nicht erklärt werden konnten.
Die ersten beiden Verbindungen, die Chalkogengallate Cs4Ga6Q11 (Q=S, Se) sind die ersten einer neuen Art, die polymere Anionen enthalten. Sie kristallisieren isotypisch in der triklinen Raumgruppe P1 ̅ mit einer Formeleinheit in der asymmetrischen Einheit und zwei Formeleinheiten in der Einheitszelle. Beide Verbindungen bestehen aus GaQ4 Tetraedern die durch Kondensation komplexe anionische „Dreier“ Doppelketten mit der Formel (_∞^1)[〖〖Ga〗_6 Q_11〗^(4-)] ausbilden. Trotz der Messung der 71Ga FK NMR Spektren bei 14,1 T war es nur möglich eine Mindestanzahl an drei kristallographisch unterschiedlichen Ga Positionen zu bestimmen, was prinzipiell sowohl zur Kristallstrukturlösung als auch zu den Vorhersagen durch DFT Berechnungen passt. Hingegen zeigen die experimentellen 133Cs FK NMR Spektren sehr gute Übereinstimmung mit Berechnungen sowohl auf Basis des PBE Funktionals als auch auf Basis der lokalen Dichtenäherung unter Verwendung der zeroth order regular approximation. Sowohl Experiment als auch Vorhersage zeigen vier Signale für beide Verbindungen, von denen die mittleren Beiden im Fall des Selenids überlappen. Durch DFT Berechnungen mit unterschiedlicher Stöchiometrie der Kristallstruktur des Selenids konnten weitere Signale, die im 133Cs FK NMR Spektrum auftauchen als Defekte zugeordnet werden. Diese zeigen die Form von zusätzlichen Selenidatomen innerhalb der polymeren Anionenkette und führen zu einer Ga-Se-Se-Ga Bindungsfolge.
Die dritte Verbindung, Idasanutlin, ist ein Arzneimittelkandidat zur Behandlung von Leukämie. Es wurden die Kristallstrukturen der beiden Polymorphe Form I und III, die in den Raumgruppen P1 und P2_1 mit zwei, respektive vier Formeleinheiten in der Einheitszelle kristallisieren gelöst. Während erstere Struktur durch Röntgendiffraktion gelöst wurde, war für Zweitere NMR Kristallographie notwendig. Beide Polymorphe zeigen dasselbe Dimermotiv bei dem zwei Moleküle über ihre Säuregruppen doppelt wasserstoffbrückengebunden sind. Diese Dimere sind in den Kristallstrukturen vergleichbar mit Stühlen übereinandergestapelt. Der Unterschied zwischen Form I und Form III ist eine AB-Schichtung dieser Stapel im Fall von Form III und einer ABC Schichtung bei Form I. Die Vorhersage der chemischen Verschiebung von 1H zeigt den Unterschied in den Wasserstoffbrückenbindungen und die unterschiedliche Umgebung des Wasserstoffs der Amidgruppe aufgrund des Packungsunterschieds. Während die 13C und 15N FK NMR Spektren und deren Vorhersage für Form I keine Auffälligkeiten erkennen lassen, zeigen sich leichte Abweichungen für 15N im Fall von Form III. Außerdem zeigt Form III eine Fehlordnung innerhalb der Struktur, in der ein fluoro-chloro-Benzolring eines der Moleküle um 180° verdreht ist, was sich in den 19F FK NMR Spektren beobachten lässt. Durch die Integrale dieser Signale in Verbindung mit 19F19F DQSQ Aufbaukurven und DFT Berechnungen der fehlgeordneten Struktur konnten alle Signale zugeordnet werden. Zusätzlich konnte herausgefunden werden, dass die Fehlordnung statistisch innerhalb der Kristallite verteilt ist.
Die vierte Verbindung, Na3[Al(L Lactate)3]2 * 6 H2O, wurde aus kommerziell erhältlicher Lohtragon® Lösung kristallisiert, die breite Anwendung beispielsweise in Superabsorbern und Betonzusatzstoff findet. Es bildet eine Struktur in der Raumgruppe P3_2 mit einer Formeleinheit in der asymmetrischen Einheit. Die Grundbausteine bestehen aus zwei Al(L Lactate)3 Komplexen, die über drei sehr kurze symmetrische Wassersstoffbrückenbindungen über ihre halb deprotonierten OH Gruppen verbunden sind. Diese binuklearen Komplexe bilden Schichten innerhalb derer lediglich van der Waals Wechselwirkungen zu beobachten sind. Im Zwischenschichtraum wird die negative Ladung durch Na+ Ionen ausgeglichen, die zusätzlich von Wasser komplexiert werden, um eine verzerrt oktaedrische Koordination zu erreichen. Die binuklearen Komplexe konnten einzig durch die Kombination von FK NMR und DFT Berechnungen identifiziert werden, da im 1H FK NMR Spektrum ein stark verschobenes Signal beobachtet wurde. Alle anderen 1H Vorhersagen zeigen eine breite Verteilung der Verschiebungen, während das Experiment klar aufgelöste Signale zeigt. Diese Diskrepanz ist auf die fehlende Mobilität in den DFT Vorhersagen zurückzuführen, die aufgrund der schieren Größe der Zelle der Struktur nicht in die Berechnung einbezogen werden konnte. Es war allerdings möglich durch Mittelung der Verschiebung der einzelnen chemischen Gruppen eine gute Übereinstimmung mit dem Experiment herzustellen, da die hohe Anzahl an Wasserstoffatomen innerhalb der Struktur die Energiehyperfläche der Einheitszelle bereits ausreichend abtastet. Sowohl die NMR Vorhersagen für 13C als auch die Berechnung der quadrupolaren Kopplungskonstanten für 23Na und 27Al passen zum Experiment. In der Tieftemperaturmessung von 23Na zeigen sich deutlich drei kristallographisch unterschiedliche Positionen. Während die vorhergesagte Kopplung für 27Al gut zum Experiment passt, zeigen sich für den Asymmetrieparameter leichte Abweichungen, die aber bereits in anderen Studien beobachtet wurde.
Die Ergebnisse dieser Arbeit, besonders die Untersuchungen verschiedener Arten von Fehlordnung mit Hilfe von FK NMR und DFT Methoden könnte bei zukünftigen Lösungen von Kristallstrukturen helfen, die große Einheitszellen aufweisen.

Abstract in weiterer Sprache

In this work NMR crystallography was used to solve five crystal structures of four different compounds. These range from inorganics incorporating new type of polymeric anions over metal organic to new organic pharmaceuticals. All of them exhibit different degrees of disorder in their crystal structure, which we investigated further, focusing on a combination of solid state nuclear magnetic resonance (ss-NMR) and density functional (DFT) methods. The latter employing semi empirical dispersion corrected density functional theory in conjunction with the gauge including projector augmented wave method. Due to the large size of the unit cells of those compounds it proved impossible to employ established techniques for DFT calculations like the supercell approach. Therefore, more simplified, less computational demanding approaches had to be used calculating only single unit cells in varying structures. Upon these, we were able to predict the isotropic chemical shielding for all incorporated NMR active nuclei within these chemicals, for which measurements were feasible, and also investigated quadrupolar coupling constants computed by DFT. This enabled us to assign NMR signals that could not be explained by the undistorted crystal structures.
The first two compounds, the chalcogengallates Cs4Ga6Q11 (Q=S, Se), are the first of a new type, incorporating polymeric anions. They crystallize isotypically in the triclinic space group P1 ̅ with one formula unit in the asymmetric unit and two formula units in each unit cell In both compounds condensed GaQ4 tetrahedra form complex anionic “Dreier double” chains (_∞^1)[〖〖Ga〗_6 Q_11〗^(4-)]. The 71Ga NMR spectra measured at 14.1 T, that were still not well resolved, show at least three distinct crystallographic sites, potentially fitting both the crystal structure and the prediction by DFT. In contrast, 133Cs shows very good agreement with the experiment for both used functionals, PBE and LDA, employing the zeroth order regular approximation. Both the experimental spectra and the DFT predictions show four signals for each structure, with two of them overlapping strongly in the case of the selenide. Using this crystal structure with altered stoichiometry for additional DFT calculations of the distorted structures enabled the assignment of additional signals in the 133Cs NMR spectrum of Cs4Ga6Se11 caused by defects. These take the form of an additional Selenide atom added to the polymeric anion chain forming a Ga-Se-Se-Ga bond sequence.
The third compound, Idasanutlin, is a potential drug for leukaemia treatment. The structure of two polymorphs, Form I and III, crystallizing in space group P1 and P2_1, incorporating two and four formula units, were solved. The former using single crystal XRD based on synchrotron measurements, the latter using NMR crystallography. Both share the same dimer motif in which two single molecules are bridged by double hydrogen bonds via their acid groups. These dimers are stacked on top of each other in a chair like manner. The difference between the Form I and III is an AB layering of Form III and ABC layering for Form I. The DFT predicted 1H shifts reflect the difference of the hydrogen bonding within the two polymorphs and the differences in the packing for the amide hydrogen atom. The 13C and 15N NNR spectra show no conspicuousness with the DFT predictions of the isotropic chemical shifts of Form I show good agreement with the experimental spectrum. The ones of Form III, though, show slight deviations between experiment and calculations for 15N, probably caused by thermal motion. Form III additionally exhibits slight defects in the form of a benzene ring, rotated by 180° which is, in terms of NMR solely observable in the 19F ssNMR spectra. Using the signal integrals and 19F19F DQSQ build-up curves together with DFT calculations of the distorted structure we were able to assign all 19F signals and were able to conclude that the disorder is, in fact, distributed statistically throughout the crystallites.
The fourth compound, Na3[Al(L lactate)3]2 * 6 H2O, was crystallized from commercial Lohtragon® solution and is commonly used in superabsorbers and as cement adjuvant. It inherits the space group P3_2 with one formula unit in the asymmetric unit. The crystal structure consists of two Al(L lactate)3 complexes interconnected by three very short symmetrical hydrogen bonds via their half deprotonated hydroxy groups forming a binuclear [Al(L lactate)3]2 complex. These binuclear complexes are arranged in layers, with only vdW-interaction within those. In the interlayer space the negative charge is compensated by Na+ ions which are additionally surrounded by water to reach distorted octahedral coordination. The binuclear complex could only be identified by the combination of ssNMR and DFT predictions due to a signal with very high shift observed in 1H NMR. All other 1H predicted shifts cover a broad range, while the experiment shows well resolved signals. This behaviour can be attributed to mobility, which could not be included into the predictions due to the sheer size of the unit cell. Though, through averaging of the shifts of each chemical group, it was possible to reach very good agreement with the experimental 1H NMR spectrum, as the high number of hydrogen atoms in the unit cell samples the energy hypersurface sufficiently. The 13C predictions fit the experiment very well, the same is the case for the quadrupolar nuclei 23Na and 27Al and their coupling constants. The low temperature spectrum of 23Na shows very good agreement with the predicted three sites. While for 27Al the coupling fits the experiment well the asymmetry shows slight deviations, in line with results of other studies.
The findings in this work, mainly the investigations of the different types of disorder using ssNMR and DFT techniques, may help future crystal structure solutions of compounds exhibiting large unit cells.