La resonancia magnética nuclear (RMN) es una poderosa herramienta que se utiliza ampliamente en muchos campos científicos, desde la química analítica hasta el diagnóstico médico. Sin embargo, independientemente de su uso generalizado, todavía hay áreas en las que este método tan informativo no se puede emplear porque está limitado por su baja sensibilidad.
Por lo tanto, se están haciendo muchos esfuerzos para aumentar su sensibilidad. Uno de los métodos que es capaz de mejorar las señales de RMN es un método llamado polarización inducida por parahidrógeno, que utiliza la propiedad única de uno de los isómeros de las moléculas de hidrógeno llamado parahidrógeno, que puede inducir fuertes señales de RMN en otras moléculas, incluidas las biológicamente relevantes. .
Recientemente, investigadores del Instituto de Química Física de la Academia Polaca de Ciencias (IPC PAS) profundizaron en el misterio del destino de las moléculas de parahidrógeno asociadas con la hiperpolarización y observaron que las moléculas de parahidrógeno se pueden convertir en ortohidrógeno, que tiene una RMN inusual. señal. La investigación presentada aquí es un paso adelante en el estudio de los isómeros de hidrógeno.
La resonancia magnética nuclear (RMN) permite analizar las estructuras incluso de moléculas muy complejas. Sus fundamentos se basan en la investigación del comportamiento de las propiedades magnéticas de los núcleos, cuyas propiedades se manifiestan como momentos magnéticos de los núcleos de los átomos en presencia de un fuerte campo magnético.
Sin embargo, esta interacción es débil y, por tanto, su investigación es muy difícil y requiere equipos científicos costosos. En resumen, la RMN es un método muy insensible.
Por lo tanto, los investigadores han estado tratando de mejorar la sensibilidad de la RMN, y uno de los métodos más convincentes para lograrlo utiliza las propiedades únicas de las moléculas de hidrógeno. Esta molécula puede existir en dos formas:ortohidrógeno (o-H2 ), con dos espines orientados en la misma dirección, y parahidrógeno (p-H2 ), con dos giros orientados en dirección opuesta.
La singularidad de las moléculas de parahidrógeno radica en el hecho de que su orientación de espín, en condiciones específicas, puede utilizarse para mejorar la señal de RMN en otras moléculas. Estas condiciones específicas se pueden lograr mediante protocolos en los que el parahidrógeno interactúa con otras moléculas, y esta interacción está mediada por un catalizador.
Debido a esta interacción, se mejora la señal de RMN en las moléculas que interactúan. Sin embargo, durante esta interacción, p-H2 los giros se reorientan y o-H2 es creado. En algunos casos, esta conversión puede conducir a la creación de una molécula de ortohidrógeno muy específica, que, cuando es detectada por RMN, su señal se manifiesta como una Línea Parcialmente Negativa (PNL).
A pesar de que varios informes en la literatura mencionan el registro de PNL, su naturaleza sigue sin explicarse y se trata ampliamente como un artefacto que requiere una investigación más profunda.
Recientemente, investigadores del Instituto de Química Física de la Academia Polaca de Ciencias, dirigidos por el Prof. Tomasz Ratajczyk, en colaboración con investigadores del Instituto de Química Física de la Universidad Técnica de Darmstadt y la Facultad de Química de la Universidad de Varsovia, se han centrado en este tema y han inventado un procedimiento simple que puede usarse para la generación de señales PNL.
Descubrieron que la PNL podría iniciarse en SABRE cuando se utilizan ligandos simples como piridina (Py) y dimetilsulfóxido (DMSO), y esto se puede hacer con complejos simples de N-carbeno heterocíclico (NHC) a base de iridio utilizados como catalizadores. Los experimentos se realizaron en tres disolventes marcados con deuterio:metanol-d4 , acetona-d6 , y benceno-d6 .
En su trabajo descrito en Angewandte Chemie International Edition , se centraron en la determinación de las condiciones necesarias para la generación de PNL, presentando una hipótesis sobre la aparición de tal efecto como preludio a futuros estudios mecanicistas de PNL.
"Decidimos examinar de cerca la interacción entre los procesos de activación y la aparición de PNL para plantear la hipótesis de qué especies transitorias pueden estar potencialmente afectadas por señales de PNL poco comunes", dice el profesor Tomasz Ratajczyk
Registraron la señal de PNL durante el proceso de activación del catalizador, donde la hiperpolarización de los ligandos aumentaba y la intensidad de la señal de PNL aumentaba, alcanzaba un máximo y luego disminuía. Los investigadores descubrieron que la aparición de PNL está relacionada con los procesos químicos que ocurren durante la activación previa al catalizador. Al utilizar algunos disolventes, también descubrieron que la PNL se puede observar mejor cuando el proceso de activación es más lento.
Los estudios presentados determinaron las condiciones específicas necesarias para inducir fácilmente el efecto PNL utilizando hiperpolarización común con el protocolo SABRE para moléculas simples como Py o DMSO, así como condiciones sin ningún ligando.
También encontraron una relación interesante entre la intensidad de PNL y la hiperpolarización SABRE de Py y DMSO. Se observó que el efecto está presente sólo durante la etapa de hiperpolarización inicial y se desvanece con el progreso de la eficiencia de la hiperpolarización.
La señal inusual y poco común durante los estudios de RMN puede ser un punto clave de investigación que puede usarse para investigar mecanismos de hiperpolarización hasta ahora desconocidos.
El profesor Tomasz Ratajczyk añade:"También hemos notado una correlación interesante entre la fuerza del efecto PNL y la eficiencia de la hiperpolarización SABRE de Py y DMSO. Más precisamente, el efecto PNL está presente sólo durante la etapa de activación, es decir, cuando la hiperpolarización no está funcionando completamente en la muestra."
"La comprensión de las condiciones en las que se puede observar el efecto PNL de forma reproducible facilitará una comprensión más profunda de los aspectos básicos de los mecanismos SABRE, que son cruciales para la hiperpolarización eficiente de los sistemas biorelevantes."
El hidrógeno es una de las moléculas más estudiadas, lo que ha permitido que se comprenda bien su química. Puede usarse para estudios de muchos compuestos, lo que lo convierte en una poderosa herramienta en la investigación de muchos mecanismos y en la búsqueda de aplicaciones incluso en biomedicina.
Sin embargo, algunos aspectos de la química del hidrógeno siguen siendo un misterio y sus propiedades pueden resultar bastante sorprendentes. Los hallazgos relacionados con su utilización en la hiperpolarización en RMN, descubiertos por investigadores del IPC PAS, aún deben investigarse más a fondo para determinar los mecanismos detrás de la señal PNL. Los resultados muestran claramente la importancia de mantener la curiosidad, incluso sobre algunas cosas que aparentemente se comprenden bien.
Más información: Marek Czarnota et al, Un método sencillo para la generación de ortohidrógeno hiperpolarizado con una línea parcialmente negativa, Edición internacional Angewandte Chemie (2023). DOI:10.1002/anie.202309188
Información de la revista: Edición internacional Angewandte Chemie
Proporcionado por la Academia Polaca de Ciencias
