Eine neue Methode zur Erforschung der Hyperpolarisation von Wasserstoff

Die Kernspinresonanz (NMR) ist ein leistungsstarkes Werkzeug, das in vielen wissenschaftlichen Bereichen, von der analytischen Chemie bis zur medizinischen Diagnostik, weit verbreitet ist. Allerdings gibt es trotz ihrer weiten Verbreitung immer noch Bereiche, in denen diese sehr aussagekräftige Methode aufgrund ihrer geringen Sensitivität nicht eingesetzt werden kann.

Daher werden viele Anstrengungen unternommen, um seine Empfindlichkeit zu erhöhen. Eine der Methoden, die NMR-Signale verstärken kann, ist eine Methode namens Parawasserstoff-induzierte Polarisation, die die einzigartige Eigenschaft eines der Isomere von Wasserstoffmolekülen namens Parawasserstoff nutzt, das starke NMR-Signale in anderen Molekülen, einschließlich biologisch relevanten, induzieren kann .

Kürzlich haben sich Forscher am Institut für Physikalische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften (IPC PAS) dem Geheimnis des Schicksals von Parawasserstoffmolekülen im Zusammenhang mit der Hyperpolarisation gewidmet und dabei beobachtet, dass Parawasserstoffmoleküle in Orthowasserstoff umgewandelt werden können, der ein ungewöhnliches NMR-Signal aufweist Signal. Die hier vorgestellte Forschung ist ein Fortschritt in der Untersuchung von Wasserstoffisomeren.

Die Kernspinresonanz (NMR) ermöglicht die Analyse der Strukturen selbst sehr komplexer Moleküle. Seine Grundlagen basieren auf der Untersuchung des Verhaltens der magnetischen Eigenschaften von Kernen, deren Eigenschaften sich als magnetische Momente von Kernen in Atomen in Gegenwart eines starken Magnetfelds manifestieren.

Diese Wechselwirkung ist jedoch schwach und daher ist die Untersuchung dieser Wechselwirkung sehr schwierig und erfordert teure wissenschaftliche Ausrüstung. Kurz gesagt ist NMR eine sehr unempfindliche Methode.

Daher haben Forscher versucht, die NMR-Empfindlichkeit zu verbessern, und eine der überzeugendsten Methoden, dies zu erreichen, nutzt die einzigartigen Eigenschaften von Wasserstoffmolekülen. Dieses Molekül kann in zwei Formen existieren: Orthowasserstoff (o-H2) mit zwei in die gleiche Richtung ausgerichteten Spins und Parawasserstoff (p-H2) mit zwei in die entgegengesetzte Richtung ausgerichteten Spins.

Die Einzigartigkeit von Parawasserstoffmolekülen liegt in der Tatsache, dass ihre Spinorientierung unter bestimmten Bedingungen zur NMR-Signalverstärkung in anderen Molekülen genutzt werden kann. Diese spezifischen Bedingungen können durch Protokolle erreicht werden, bei denen Parawasserstoff mit anderen Molekülen interagiert und diese Interaktion durch einen Katalysator vermittelt wird.

Aufgrund dieser Wechselwirkung wird das NMR-Signal in den interagierenden Molekülen verstärkt. Während dieser Wechselwirkung werden jedoch die p-H2-Spins neu ausgerichtet und es entsteht o-H2. In einigen Fällen kann diese Umwandlung zur Bildung eines sehr spezifischen Orthowasserstoffmoleküls führen, dessen Signal sich bei der Erkennung durch NMR als teilweise negative Linie (PNL) manifestiert.

Trotz mehrerer Berichte in der Literatur, in denen die Aufzeichnung von PNL erwähnt wird, bleibt ihre Natur ungeklärt und wird weithin als Artefakt betrachtet, das einer eingehenderen Untersuchung bedarf.

Kürzlich haben Forscher des Instituts für Physikalische Chemie der Polnischen Akademie der Wissenschaften unter der Leitung von Prof. Tomasz Ratajczyk in Zusammenarbeit mit Forschern des Instituts für Physikalische Chemie der Technischen Universität Darmstadt und der Fakultät für Chemie der Universität Warschau, haben sich auf dieses Thema konzentriert und ein einfaches Verfahren erfunden, das zur Erzeugung von PNL-Signalen verwendet werden kann.

Sie entdeckten, dass PNL in SABRE initiiert werden kann, wenn einfache Liganden wie Pyridin (Py) und Dimethylsulfoxid (DMSO) verwendet werden, und dies kann mit den einfachen Iridium-basierten N-heterocyclischen Carbenkomplexen (NHC) als Katalysatoren erfolgen. Die Experimente wurden in drei Deuterium-markierten Lösungsmitteln durchgeführt: Methanol-d4Aceton-d6und Benzol-d6.

In ihrer Arbeit beschrieben In Angewandte Chemie Internationale AusgabeSie konzentrierten sich auf die Bestimmung der Bedingungen, die für die Entstehung von PNL notwendig sind, und stellten eine Hypothese über das Auftreten eines solchen Effekts als Auftakt für weitere mechanistische Studien von PNL vor.

„Wir haben beschlossen, das Zusammenspiel zwischen den Aktivierungsprozessen und dem Auftreten von PNL genau zu untersuchen, um eine Hypothese aufzustellen, welche transienten Arten möglicherweise von ungewöhnlichen PNL-Signalen betroffen sein könnten“, sagt Prof. Tomasz Ratajczyk

Sie zeichneten das PNL-Signal während des Aktivierungsprozesses des Katalysators auf, bei dem die Hyperpolarisierung der Liganden zunahm und die Intensität des PNL-Signals zunahm, ein Maximum erreichte und dann abnahm. Forscher fanden heraus, dass das Auftreten von PNL mit den chemischen Prozessen zusammenhängt, die während der Aktivierung vor dem Katalysator ablaufen. Durch die Verwendung einiger Lösungsmittel entdeckten sie außerdem, dass PNL besser beobachtet werden kann, wenn der Aktivierungsprozess langsamer ist.

Die vorgestellten Studien ermittelten die spezifischen Bedingungen, die erforderlich sind, um den PNL-Effekt mithilfe der üblichen Hyperpolarisation mit dem SABRE-Protokoll für einfache Moleküle wie Py oder DMSO sowie Bedingungen ohne Liganden einfach zu induzieren.

Sie fanden auch einen interessanten Zusammenhang zwischen der PNL-Intensität und der SABRE-Hyperpolarisation von Py und DMSO. Es wurde festgestellt, dass der Effekt nur während der anfänglichen Hyperpolarisationsphase vorhanden ist und mit fortschreitender Hyperpolarisationseffizienz nachlässt.

Das ungewöhnliche und ungewöhnliche Signal bei NMR-Studien kann ein zentraler Forschungsschwerpunkt sein, der zur Untersuchung bisher unbekannter Hyperpolarisationsmechanismen genutzt werden kann.

Prof. Tomasz Ratajczyk fügt hinzu: „Wir haben auch einen interessanten Zusammenhang zwischen der Stärke des PNL-Effekts und der Effizienz der SABRE-Hyperpolarisation von Py und DMSO festgestellt. Genauer gesagt ist der PNL-Effekt nur während der Aktivierungsphase vorhanden, also wenn Die Hyperpolarisation funktioniert in der Probe nicht vollständig.“

„Das Verständnis der Bedingungen, unter denen der PNL-Effekt auf reproduzierbare Weise beobachtet werden kann, wird ein tiefergehendes Verständnis der grundlegenden Aspekte der SABRE-Mechanismen ermöglichen, die für die effiziente Hyperpolarisierung biorelevanter Systeme von entscheidender Bedeutung sind.“

Wasserstoff ist eines der am häufigsten untersuchten Moleküle, was zu einem guten Verständnis seiner Chemie geführt hat. Es kann für die Untersuchung vieler Verbindungen verwendet werden, was es zu einem leistungsstarken Werkzeug bei der Untersuchung vieler Mechanismen und bei der Suche nach Anwendungen sogar in der Biomedizin macht.

Dennoch bleiben einige Aspekte der Wasserstoffchemie immer noch ein Rätsel und ihre Eigenschaften können ziemlich überraschend sein. Die von Forschern des IPC PAS entdeckten Ergebnisse im Zusammenhang mit seiner Nutzung bei der Hyperpolarisation in der NMR müssen noch weiter untersucht werden, um die Mechanismen hinter dem PNL-Signal zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigen deutlich, wie wichtig es ist, neugierig zu bleiben, auch bei manchen Dingen, die man scheinbar gut versteht.