En ny metode til at udforske hyperpolarisering af brint

Kernemagnetisk resonans (NMR) er et kraftfuldt værktøj, der er meget udbredt inden for mange videnskabelige områder, fra analytisk kemi til medicinsk diagnostik. Men uanset dens udbredte brug, er der stadig områder, hvor denne meget informative metode ikke kan anvendes, fordi den er begrænset af dens lave følsomhed.

Derfor gøres der mange bestræbelser på at øge dens følsomhed. En af de metoder, der er i stand til at forstærke NMR-signaler, er en metode kaldet parahydrogen-induceret polarisation, som bruger den unikke egenskab af en af ​​isomererne af brintmolekyler kaldet parahydrogen, som kan inducere stærke NMR-signaler i andre molekyler, herunder biologisk relevante. .

For nylig dykkede forskere ved Institut for Fysisk Kemi ved Det Polske Videnskabsakademi (IPC PAS) ned i mysteriet om skæbnen for parahydrogenmolekyler forbundet med hyperpolarisering, og de observerede, at parahydrogenmolekyler kan omdannes til orthohydrogen, som har en usædvanlig NMR signal. Den forskning, der præsenteres her, er et skridt fremad i studiet af hydrogenisomerer.

Kernemagnetisk resonans (NMR) gør det muligt at analysere strukturerne af selv meget komplekse molekyler. Dets grundlæggende principper er baseret på undersøgelsen af ​​opførselen af ​​de magnetiske egenskaber af kerner, hvis egenskaber manifesterer sig som magnetiske momenter af kerner i atomer i nærvær af et stærkt magnetfelt.

Denne interaktion er imidlertid svag, og derfor er undersøgelsen af ​​denne interaktion meget vanskelig og kræver dyrt videnskabeligt udstyr. Kort sagt er NMR en meget ufølsom metode.

Derfor har forskere forsøgt at øge NMR-følsomheden, og en af ​​de mest overbevisende metoder til at opnå dette udnytter brintmolekylernes unikke egenskaber. Dette molekyle kan eksistere i to former:orthohydrogen (o-H₂ ), med to spins orienteret i samme retning, og parahydrogen (p-H₂ ), med to spin orienteret i den modsatte retning.

Det unikke ved parahydrogenmolekyler ligger i det faktum, at deres spin-orientering under specifikke forhold kan udnyttes til NMR-signalforstærkning i andre molekyler. Disse specifikke betingelser kan opnås via protokoller, hvor parahydrogen interagerer med andre molekyler, og denne interaktion medieres af en katalysator.

På grund af denne interaktion forstærkes NMR-signalet i de interagerende molekyler. Men under denne interaktion, p-H₂ spins omorienteres, og o-H₂ er oprettet. I nogle tilfælde kan denne omdannelse føre til dannelsen af ​​et meget specifikt orthohydrogenmolekyle, som, når det detekteres ved NMR, dets signal manifesteres som en delvis negativ linje (PNL).

På trods af adskillige rapporter i litteraturen, der nævner optagelsen af ​​PNL, forbliver dens natur uforklarlig og behandles bredt som en artefakt, der kræver mere dybtgående undersøgelse.

For nylig har forskere fra Institut for Fysisk Kemi ved det polske Videnskabsakademi, ledet af prof. Tomasz Ratajczyk, i samarbejde med forskere fra Institut for Fysisk Kemi ved Det Tekniske Universitet i Darmstadt og Det Kemiske Fakultet ved Warszawa Universitet, har fokuseret på dette problem og har opfundet en simpel procedure, der kan bruges til generering af PNL-signaler.

De opdagede, at PNL kunne initieres i SABRE, når simple ligander som pyridin (Py) og dimethylsulfoxid (DMSO) bruges, og dette kan gøres med de simple iridium-baserede N-Heterocykliske Carben (NHC)-komplekser, der bruges som katalysatorer. Forsøgene blev udført i tre deuterium-mærkede opløsningsmidler:methanol-d₄ , acetone-d₆ og benzen-d₆ .

I deres arbejde beskrevet i Angewandte Chemie International Edition , fokuserede de på bestemmelsen af ​​de betingelser, der er nødvendige for generering af PNL, og præsenterede en hypotese om forekomsten af ​​en sådan effekt som optakt til yderligere mekanistiske undersøgelser af PNL.

"Vi besluttede os for nøje at undersøge samspillet mellem aktiveringsprocesserne og forekomsten af ​​PNL for at opstille en hypotese om, hvilke forbigående arter der potentielt kan være bekymrede for ualmindelige PNL-signaler," siger prof. Tomasz Ratajczyk

De registrerede PNL-signalet under aktiveringsprocessen af ​​katalysatoren, hvor hyperpolariseringen af ​​liganderne var stigende, og intensiteten af ​​PNL-signalet var stigende, nåede et maksimum og derefter faldende. Forskere opdagede, at udseendet af PNL er forbundet med de kemiske processer, der opstår under præ-katalysatoraktivering. Ved at bruge nogle få opløsningsmidler opdagede de også, at PNL bedre kan observeres, når aktiveringsprocessen er langsommere.

De præsenterede undersøgelser bestemte de specifikke betingelser, der var nødvendige for nemt at inducere PNL-effekten ved hjælp af almindelig hyperpolarisering med SABRE-protokollen for simple molekyler som Py eller DMSO, såvel som tilstande uden nogen ligander.

De fandt også et interessant forhold mellem PNL-intensitet og SABRE-hyperpolariseringen af ​​Py og DMSO. Det blev bemærket, at effekten kun er til stede under det indledende hyperpolariseringsstadium og forsvinder med fremskridt i hyperpolariseringseffektiviteten.

Det usædvanlige og usædvanlige signal under NMR-studier kan være et nøglepunkt i forskningen, der kan bruges til at undersøge hidtil ukendte hyperpolariseringsmekanismer.

Prof. Tomasz Ratajczyk tilføjer:"Vi har også bemærket en interessant sammenhæng mellem styrken af ​​PNL-effekten og effektiviteten af ​​SABER-hyperpolariseringen af ​​Py og DMSO. Mere præcist er PNL-effekten kun til stede under aktiveringsstadiet, dvs. hyperpolarisering fungerer ikke fuldt ud i prøven."

"Forståelsen af ​​de forhold, hvorunder PNL-effekten kan observeres på en reproducerbar måde, vil lette en mere grundig forståelse af de grundlæggende aspekter af SABRE-mekanismerne, som er afgørende for den effektive hyperpolarisering af biorelevante systemer."

Brint er et af de mest undersøgte molekyler, hvilket har resulteret i, at dets kemi er blevet godt forstået. Det kan bruges til undersøgelser af mange forbindelser, hvilket gør det til et stærkt værktøj i undersøgelsen af ​​mange mekanismer og finde anvendelser selv inden for biomedicin.

Ikke desto mindre er nogle aspekter af brintkemi stadig et mysterium, og dets egenskaber kan være ret overraskende. Resultaterne relateret til dets anvendelse i hyperpolarisering i NMR, som blev opdaget af forskere fra IPC PAS, skal stadig undersøges nærmere for at bestemme mekanismerne bag PNL-signalet. Resultaterne viser tydeligt vigtigheden af ​​at forblive nysgerrig, selv om nogle ting, der tilsyneladende er velforståede.

Flere oplysninger: Marek Czarnota et al., A Straightforward Method for the Generation of Hyperpolarized Orthohydrogen with a Partially Negative Line, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202309188

Journaloplysninger: Angewandte Chemie International Edition

Leveret af det polske videnskabsakademi