Nucleaire magnetische resonantie (NMR) is een krachtig hulpmiddel dat op grote schaal wordt gebruikt op veel wetenschappelijke gebieden, van analytische chemie tot medische diagnostiek. Ondanks het wijdverbreide gebruik ervan zijn er echter nog steeds gebieden waarop deze zeer informatieve methode niet kan worden toegepast, omdat deze wordt beperkt door de lage gevoeligheid ervan.

Daarom worden er veel pogingen ondernomen om de gevoeligheid ervan te vergroten. Een van de methoden die in staat is NMR-signalen te versterken is een methode die parahydrogen-geïnduceerde polarisatie wordt genoemd en die gebruik maakt van de unieke eigenschap van een van de isomeren van waterstofmoleculen, parahydrogen genaamd, die sterke NMR-signalen kan induceren in andere moleculen, inclusief biologisch relevante moleculen. .

Onlangs hebben onderzoekers van het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen (IPC PAS) zich verdiept in het mysterie van het lot van parawaterstofmoleculen die geassocieerd zijn met hyperpolarisatie, en ze hebben waargenomen dat parawaterstofmoleculen kunnen worden omgezet in orthowaterstof, dat een ongebruikelijke NMR heeft. signaal. Het hier gepresenteerde onderzoek is een stap voorwaarts in de studie van waterstofisomeren.

Kernmagnetische resonantie (NMR) maakt het mogelijk om de structuren van zelfs zeer complexe moleculen te analyseren. De grondbeginselen ervan zijn gebaseerd op het onderzoek naar het gedrag van de magnetische eigenschappen van kernen, waarvan de eigenschappen zich manifesteren als magnetische momenten van kernen in atomen in de aanwezigheid van een sterk magnetisch veld.

Deze interactie is echter zwak, en daarom is het onderzoek naar deze interactie erg moeilijk en vereist dure wetenschappelijke apparatuur. Kortom, NMR is een zeer ongevoelige methode.

Daarom hebben onderzoekers geprobeerd de NMR-gevoeligheid te verbeteren, en een van de meest overtuigende methoden om dit te bereiken maakt gebruik van de unieke eigenschappen van waterstofmoleculen. Dit molecuul kan in twee vormen voorkomen:orthowaterstof (o-H₂ ), met twee spins in dezelfde richting, en parawaterstof (p-H₂ ), met twee spins in de tegenovergestelde richting.

Het unieke van parawaterstofmoleculen ligt in het feit dat hun spinoriëntatie, onder specifieke omstandigheden, kan worden gebruikt voor NMR-signaalverbetering in andere moleculen. Deze specifieke omstandigheden kunnen worden bereikt via protocollen waarin parawaterstof interageert met andere moleculen, en deze interactie wordt gemedieerd door een katalysator.

Vanwege deze interactie wordt het NMR-signaal in de interacterende moleculen versterkt. Tijdens deze interactie is echter p-H₂ spins worden geheroriënteerd, en o-H₂ is gecreëerd. In sommige gevallen kan deze omzetting leiden tot de creatie van een zeer specifiek orthowaterstofmolecuul, waarvan het signaal, wanneer het door NMR wordt gedetecteerd, zich manifesteert als een gedeeltelijk negatieve lijn (PNL).

Ondanks verschillende rapporten in de literatuur waarin de opname van PNL wordt vermeld, blijft de aard ervan onverklaard en wordt deze algemeen behandeld als een artefact dat diepgaander onderzoek vereist.

Onlangs hebben onderzoekers van het Instituut voor Fysische Chemie van de Poolse Academie van Wetenschappen, onder leiding van prof. Tomasz Ratajczyk, in samenwerking met onderzoekers van het Instituut voor Fysische Chemie van de Technische Universiteit van Darmstadt en de Faculteit Scheikunde van de Universiteit van Warschau, hebben zich op dit probleem geconcentreerd en een eenvoudige procedure bedacht die kan worden gebruikt voor het genereren van PNL-signalen.

Ze ontdekten dat PNL in SABRE kan worden geïnitieerd wanneer eenvoudige liganden zoals pyridine (Py) en dimethylsulfoxide (DMSO) worden gebruikt, en dit kan worden gedaan met de eenvoudige op iridium gebaseerde N-heterocyclische carbeen (NHC) -complexen die als katalysatoren worden gebruikt. De experimenten werden uitgevoerd in drie met deuterium gelabelde oplosmiddelen:methanol-d₄ , aceton-d₆ , en benzeen-d₆ .

In hun werk beschreven in Angewandte Chemie International Edition concentreerden ze zich op het bepalen van de voorwaarden die nodig zijn voor het genereren van PNL, waarbij ze een hypothese presenteerden over het optreden van een dergelijk effect als opmaat voor verdere mechanistische studies van PNL.

"We hebben besloten de wisselwerking tussen de activeringsprocessen en het voorkomen van PNL nauwkeurig te onderzoeken om te veronderstellen welke voorbijgaande soorten mogelijk betrokken kunnen zijn bij ongebruikelijke PNL-signalen", zegt prof. Tomasz Ratajczyk

Ze registreerden het PNL-signaal tijdens het activeringsproces van de katalysator, waarbij de hyperpolarisatie van de liganden toenam en de intensiteit van het PNL-signaal toenam, een maximum bereikte en vervolgens afnam. Onderzoekers ontdekten dat het verschijnen van PNL verband houdt met de chemische processen die plaatsvinden tijdens de activering van de pre-katalysator. Door enkele oplosmiddelen te gebruiken ontdekten ze ook dat PNL beter kan worden waargenomen als het activeringsproces langzamer verloopt.

De gepresenteerde onderzoeken bepaalden de specifieke omstandigheden die nodig zijn om het PNL-effect gemakkelijk te induceren met behulp van gemeenschappelijke hyperpolarisatie met het SABRE-protocol voor eenvoudige moleculen zoals Py of DMSO, evenals omstandigheden zonder liganden.

Ze vonden ook een interessante relatie tussen PNL-intensiteit en de SABRE-hyperpolarisatie van Py en DMSO. Er werd opgemerkt dat het effect alleen aanwezig is tijdens de initiële hyperpolarisatiefase en vervaagt naarmate de hyperpolarisatie-efficiëntie vordert.

Het ongebruikelijke en ongebruikelijke signaal tijdens NMR-onderzoeken kan een belangrijk onderzoekspunt zijn dat kan worden gebruikt om tot nu toe onbekende hyperpolarisatiemechanismen te onderzoeken.

Prof. Tomasz Ratajczyk voegt hieraan toe:"We hebben ook een interessante correlatie opgemerkt tussen de sterkte van het PNL-effect en de efficiëntie van de SABRE-hyperpolarisatie van Py en DMSO. Nauwkeuriger gezegd, het PNL-effect is alleen aanwezig tijdens de activeringsfase, dat wil zeggen wanneer hyperpolarisatie werkt niet volledig in het monster."

"Het begrip van de omstandigheden waarin het PNL-effect op reproduceerbare wijze kan worden waargenomen, zal een grondiger begrip van de basisaspecten van de SABRE-mechanismen mogelijk maken, die cruciaal zijn voor de efficiënte hyperpolarisatie van biorelevante systemen."

Waterstof is een van de meest bestudeerde moleculen, waardoor de chemie ervan goed wordt begrepen. Het kan worden gebruikt voor onderzoek naar vele verbindingen, waardoor het een krachtig hulpmiddel is bij het onderzoeken van vele mechanismen en het vinden van toepassingen, zelfs in de biogeneeskunde.

Niettemin blijven sommige aspecten van de waterstofchemie nog steeds een mysterie, en de eigenschappen ervan kunnen behoorlijk verrassend zijn. De bevindingen met betrekking tot het gebruik ervan bij hyperpolarisatie in NMR, die werden ontdekt door onderzoekers van IPC PAS, moeten nog verder worden onderzocht om de mechanismen achter het PNL-signaal te bepalen. De resultaten laten duidelijk zien hoe belangrijk het is om nieuwsgierig te blijven, zelfs naar sommige dingen die ogenschijnlijk goed worden begrepen.

Meer informatie: Marek Czarnota et al, Een eenvoudige methode voor het genereren van hypergepolariseerde orthowaterstof met een gedeeltelijk negatieve lijn, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202309188

Journaalinformatie: Angewandte Chemie Internationale Editie

Aangeboden door de Poolse Academie van Wetenschappen