Nieznane oblicze wodoru

Magnetyczny rezonans jądrowy (NMR) to potężne narzędzie, które jest szeroko stosowane w wielu dziedzinach nauki, od chemii analitycznej po diagnostykę medyczną. Jednak, nadal istnieją obszary, w których ta technika nie bywa stosowana ze względu na jej niską czułość. Stąd, podejmowanych jest wiele wysiłków w świecie nauki, aby to zmienić. Jednym ze sposobów, który jest w stanie wzmocnić sygnały NMR, jest metoda zwana polaryzacją indukowaną parawodorem, która wykorzystuje unikalną właściwość jednego z izomerów cząsteczek wodoru mogący indukować silne sygnały NMR w innych cząsteczkach, w tym nawet związkach biologicznie czynnych. Niedawno naukowcy z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk (IChF PAN) przedstawili badania, w których badali zjawisko przekształcenia parawodoru w inny izomer - ortowodór podczas hiperpolaryzacji, który daje nietypowy sygnał NMR. Przedstawione badania stanowią krok naprzód w badaniach izomerów wodoru. Przyjrzyjmy się im bliżej.

Magnetyczny rezonans jądrowy (NMR) umożliwia analizę struktur nawet bardzo złożonych cząsteczek. Podstawy tej metody bazują na badaniu zachowania właściwości magnetycznych jąder przejawiające się jako momenty magnetyczne w obecności silnego pola magnetycznego. Oddziaływanie to jest jednak słabe, a zatem badanie tej interakcji jest stosunkowo trudne i wymaga użycia specjalistycznej i kosztownej aparatury badawczej. Do tego, NMR jest posiada ograniczenie w postaci niskiej czułości. Dlatego, naukowcy starają się zwiększyć czułość tej metody, a jednym z najbardziej obiecujących sposobów jest wykorzystanie unikalnych właściwości cząsteczek wodoru. Cząsteczka ta może występować w dwóch formach: ortowodoru (o-H2), z dwoma spinami zorientowanymi w tym samym kierunku oraz parawodoru (p-H2), z dwoma spinami zorientowanymi w przeciwnym kierunku. Wyjątkowość cząsteczek parawodoru polega na tym, że ich orientacja spinowa, w określonych warunkach, może być wykorzystana do wzmocnienia sygnału NMR w innych cząsteczkach. Te specyficzne warunki można osiągnąć za pomocą procedury, w których parawodór oddziałuje z innymi cząsteczkami, a w tej interakcji pośredniczy katalizator wzmacniając sygnał NMR a spiny parawodoru zmieniają orientację. W niektórych przypadkach konwersja ta może prowadzić do utworzenia bardzo specyficznej cząsteczki ortowodoru, która, gdy jest wykrywana przez NMR, a jej sygnał objawia się jako częściowo ujemna linia (PNL). Pomimo kilku doniesień literaturowych o zarejestrowaniu PNL, natura tego zjawiska pozostaje niewyjaśniona i bywa traktowana jako artefakt, który wymaga bardziej dogłębnych badań.

Ostatnio, grupa badawcza z Instytutu Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk kierowana przez prof. Tomasza Ratajczyka, we współpracy z naukowcami z Instytutu Chemii Fizycznej Uniwersytetu Technicznego w Darmstadt i Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego, skupili się na tym zagadnieniu i opracowali procedurę, która może być wykorzystana do generowania sygnałów PNL. Badacze odkryli, że PNL można zainicjować w SABRE, gdy stosuje się proste ligandy, takie jak pirydyna (Py) i dimetylosulfotlenek (DMSO), a można to zrobić za pomocą prostych kompleksów N-heterocyklicznego karbenu (NHC) na bazie irydu, stosowanych jako katalizatory. Eksperymenty przeprowadzono w trzech znakowanych deuterem rozpuszczalnikach: metanolu-d4, acetonie-d6 i benzenie-d6. W swojej pracy opisanej w czasopiśmie Angewandte Chemie określili warunki niezbędne do generowania PNL, przedstawiając hipotezę dotyczącą występowania takiego efektu jako wstęp do dalszych badań mechanistycznych tego zjawiska.

"Postanowiliśmy dokładnie zbadać interakcje między procesami aktywacji a występowaniem PNL, aby postawić hipotezę, które gatunki przejściowe mogą być potencjalnie związane z nietypowymi sygnałami PNL" - zauważa prof. Tomasz Ratajczyk.

Zarejestrowali sygnał PNL podczas procesu aktywacji katalizatora, w którym hiperpolaryzacja ligandów wzrastała, a intensywność sygnału PNL rosła, osiągając maksimum i kolejno ulegała osłabieniu. Naukowcy odkryli, że pojawienie się PNL jest związane z procesami chemicznymi zachodzącymi podczas wstępnej aktywacji katalizatora. Używając kilku rozpuszczalników, udowodnili również, że PNL jest lepiej widoczny, gdy proces aktywacji jest wolniejszy.

Przedstawione badania określiły specyficzne warunki potrzebne do łatwego wywołania efektu PNL przy użyciu wspólnej hiperpolaryzacji z protokołem SABRE dla prostych cząsteczek, takich jak Py lub DMSO, a także warunków eksperymentalnych bez żadnych ligandów. Odkryli także interesującą zależność między intensywnością PNL a hiperpolaryzacją SABRE dla Py i DMSO. Zauważono, że efekt jest obecny tylko podczas początkowego etapu hiperpolaryzacji i zanika wraz z postępem wydajności hiperpolaryzacji. Nietypowy i niespotykany sygnał podczas badań NMR może być kluczowym punktem badań, który można wykorzystać do zbadania nieznanych dotąd mechanizmów hiperpolaryzacji.

Prof. Tomasz Ratajczyk dodaje: "Zauważyliśmy również ciekawą korelację pomiędzy intensywnością efektu PNL a efektywnością hiperpolaryzacji SABRE w Py i DMSO. Dokładniej rzecz ujmując, efekt PNL jest obecny tylko podczas etapu aktywacji, tj. gdy hiperpolaryzacja nie działa w pełni w próbce. Zrozumienie warunków jakie są konieczne, w których efekt PNL można zaobserwować w powtarzalny sposób, ułatwi dokładniejsze zrozumienie podstawowych aspektów mechanizmów SABRE, kluczowych dla skutecznej hiperpolaryzacji układów biologicznych".

Wodór jest jedną z najczęściej badanych cząsteczek, dzięki czemu jego chemia została dobrze poznana. Może być wykorzystywany do badania wielu związków, co czyni go potężnym narzędziem w badaniu nawet złożonych mechanizmów i znajduje zastosowanie nawet w biomedycynie. Niemniej jednak, niektóre aspekty chemii wodoru wciąż pozostają tajemnicą, a jego właściwości mogą być dość zaskakujące. Odkrycia związane z jego wykorzystaniem w hiperpolaryzacji w NMR, które zostały odkryte przez naukowców z IChF PAN nadal wymagają dalszych badań w celu określenia mechanizmów stojących za sygnałem PNL. Oprócz interesujących wyników badań naukowcy pokazują, jak ważne jest zachowanie ciekawości, nawet w przypadku rzeczy, które pozornie są dobrze poznane, choćby takich jak wodór.

Praca ta została wsparta finansowo przez Narodowe Centrum Nauki w Polsce, w ramach grantu OPUS o nr grantu 2016/21/B/ST4/02162 i 2021/41/B/ST4/01286, Fundację Alexandra von Humboldta i Niemiecką Fundację Badawczą w ramach umowy Bu 911/22-2.

KONTAKT:

Prof. Tomasz Ratajczyk
Instytut Chemii Fizycznej Polskiej Akademii Nauk
Telefon: +48 22 343 3410
e-mail: tratajczyk@ichf.edu.pl

ARTYKUŁY NAUKOWE:

“A Straightforward Method for the Generation of Hyperpolarized Orthohydrogen with a Partially Negative Line”
Marek Czarnota, Adam Mames, Mariusz Pietrzak, Sylwia Jopa, Franziska Theiß, Gerd Buntkowsky i Tomasz Ratajczyk
Angew. Chem. Int. Ed.2023, e202309188
https://doi.org/10.1002/anie.202309188