Chemie en structurele biologie gebruiken de standaardmethoden van NMR-spectroscopie (NMR =nucleaire magnetische resonantie) om de structuur van moleculen te onderzoeken, inclusief grote moleculen zoals eiwitten in oplossing. De NMR actieve kernen, zoals waterstofatomen, worden geëxciteerd met behulp van radiofrequentiepulsen in spectrometers met sterke magnetische velden. De verschillende omgevingen van de kernen kunnen worden gedetecteerd en conclusies over de moleculaire structuur kunnen worden getrokken uit analyse van de gegenereerde spectra.

Met dergelijke NMR-methoden kan de structuur van diamagnetische moleculen al heel goed worden bestudeerd. In deze moleculen zijn de elektronen aan elkaar gekoppeld en hun NMR-spectra zijn eenvoudig te analyseren, aangezien de signalen gewoonlijk scherp zijn en zich in verschillende gebieden bevinden, afhankelijk van de structuur van het molecuul. Echter, met NMR-methoden is het moeilijk om de structuur van paramagnetische verbindingen te onderzoeken, die ongepaarde elektronen hebben. Waaronder, bijvoorbeeld, sommige medische contrastmiddelen. Ze worden aangetrokken door externe magnetische velden en interfereren met de metingen. Chemici van de Kiel University (CAU) zijn er nu in geslaagd een toolbox met NMR-methoden te ontwikkelen die, Voor de eerste keer, gedetailleerde structurele analyse van paramagnetische complexen in oplossing mogelijk te maken. Onlangs demonstreerden ze in het gerenommeerde tijdschrift de uitgebreide toepassingsmogelijkheden van hun toolbox op verschillende gebieden van de chemie en daarbuiten Angewandte Chemie .

Zelfs complexe "moleculaire kooien" kunnen gedetailleerder dan ooit tevoren worden geanalyseerd

"Het aantal geschikte NMR-methoden voor paramagnetische complexen is tot nu toe beperkt geweest. Structurele informatie gaat meestal verloren omdat de signalen breed zijn en in minder voorspelbare regio's, " legt Anna McConnell uit, Junior Professor aan het Otto Diels Instituut voor Organische Chemie aan de CAU. Ze onderzoekt paramagnetische "moleculaire kooien, " waarbij verschillende moleculen zichzelf assembleren tot complexere structuren met een holte die andere moleculen kan binden. Als langetermijndoelstelling, deze moleculen zouden kunnen zijn, bijvoorbeeld, geneeskrachtige stoffen die in bepaalde delen van het lichaam worden getransporteerd en afgegeven. "Maar daarvoor hebben we eerst meer informatie nodig over de structuren van deze paramagnetische complexen, ’ gaat McConnell verder.

Samen met een onderzoeksteam van de Institutes of Organic and Anorganic Chemistry, McConnell heeft verschillende NMR-methoden ontwikkeld om op betrouwbare wijze NMR-gegevens over paramagnetische verbindingen te verkrijgen en te interpreteren. Gebruikt in combinatie, de methoden van hun gereedschapskist geven een uitgebreid beeld van dergelijke moleculaire structuren. In sommige gevallen, de resultaten zijn zelfs beter dan die met vergelijkbare standaardmethoden voor conventionele diamagnetische verbindingen, het team gevonden. "Data-acquisitie voor de paramagnetische verbindingen was veel sneller en, in sommige gevallen, we hebben de structurele informatie verkregen in één paramagnetisch experiment in plaats van verschillende experimenten voor een diamagnetische verbinding, ' zei McConnell.

De handleiding maakt een eenvoudige aanpassing aan elke spectrometer mogelijk

Het onderzoeksteam voerde gedetailleerd onderzoek uit op de 500 en 600 MHz-spectrometers in de spectroscopieafdeling van het Otto Diels Institute of Organic Chemistry om te bepalen hoe de standaardexperimenten konden worden aangepast voor analyse van de paramagnetische complexen. Hiermee, ze produceerden een handleiding over hoe de toolbox op andere paramagnetische complexen en spectrometers moest worden toegepast. "De ontwikkeling van deze paramagnetische NMR-methoden is een grote doorbraak voor ons dagelijkse onderzoek en we hopen dat ze andere onderzoekers net zo goed zullen helpen als wij, " zei Marc Lehr, doctoraat student in McConnell's groep en eerste auteur van het artikel. Het onderzoeksteam hoopt dat dit zal bijdragen aan de toepassing van deze methoden in verschillende gebieden van de chemie en daarbuiten. In hun onderzoek toonden ze de brede veelzijdigheid van de toolbox aan voor ten minste gebieden van coördinatiechemie en spin-crossover-complexen tot supramoleculaire chemie.

Als volgende stap, het onderzoeksteam is van plan deze methoden toe te passen op de analyse van grotere en zelfs complexere paramagnetische kooien. "Moleculaire kooien waarvan de structuren kunnen worden veranderd door bestraling met licht, zijn een voorbeeld van een complexere kooi. Met behulp van lichtgevoelige kooien kunnen we de gastmoleculen in de toekomst misschien op een echt gerichte manier vrijgeven, ', hoopt McConnell.