La risonanza magnetica nucleare (NMR) è uno strumento potente ampiamente utilizzato in molti campi scientifici, dalla chimica analitica alla diagnostica medica. Tuttavia, nonostante la sua diffusione, ci sono ancora aree in cui questo metodo molto informativo non può essere utilizzato perché è limitato dalla sua bassa sensibilità.
Pertanto, vengono fatti molti sforzi per aumentarne la sensibilità. Uno dei metodi in grado di potenziare i segnali NMR è un metodo chiamato polarizzazione indotta dal paraidrogeno, che sfrutta la proprietà unica di uno degli isomeri delle molecole di idrogeno chiamato paraidrogeno, che può indurre forti segnali NMR in altre molecole, comprese quelle biologicamente rilevanti .
Recentemente, i ricercatori dell’Istituto di Chimica Fisica dell’Accademia Polacca delle Scienze (IPC PAS) hanno approfondito il mistero del destino delle molecole di paraidrogeno associate all’iperpolarizzazione e hanno osservato che le molecole di paraidrogeno possono essere convertite in ortoidrogeno, che ha un NMR insolito segnale. La ricerca qui presentata rappresenta un passo avanti nello studio degli isomeri dell'idrogeno.
La risonanza magnetica nucleare (NMR) consente di analizzare le strutture di molecole anche molto complesse. I suoi fondamenti si basano sullo studio del comportamento delle proprietà magnetiche dei nuclei, le cui proprietà si manifestano come momenti magnetici dei nuclei negli atomi in presenza di un forte campo magnetico.
Questa interazione è, tuttavia, debole e quindi la sua indagine è molto difficile e richiede costose attrezzature scientifiche. In breve, l'NMR è un metodo molto insensibile.
Pertanto, i ricercatori hanno cercato di migliorare la sensibilità NMR e uno dei metodi più convincenti per raggiungere questo obiettivo utilizza le proprietà uniche delle molecole di idrogeno. Questa molecola può esistere in due forme:ortoidrogeno (o-H2 ), con due spin orientati nella stessa direzione, e paraidrogeno (p-H2 ), con due rotazioni orientate in senso opposto.
L'unicità delle molecole di paraidrogeno risiede nel fatto che il loro orientamento di spin, in condizioni specifiche, può essere utilizzato per l'aumento del segnale NMR in altre molecole. Queste condizioni specifiche possono essere raggiunte tramite protocolli in cui il paraidrogeno interagisce con altre molecole e questa interazione è mediata da un catalizzatore.
A causa di questa interazione, il segnale NMR nelle molecole interagenti viene potenziato. Tuttavia, durante questa interazione, p-H2 gli spin vengono riorientati e o-H2 è creato. In alcuni casi, questa conversione può portare alla creazione di una molecola di ortoidrogeno molto specifica che, quando viene rilevata tramite NMR, il suo segnale si manifesta come una linea parzialmente negativa (PNL).
Nonostante numerosi rapporti in letteratura che menzionano la registrazione della PNL, la sua natura rimane inspiegata ed è ampiamente trattata come un artefatto che richiede indagini più approfondite.
Recentemente, i ricercatori dell’Istituto di Chimica Fisica dell’Accademia Polacca delle Scienze, guidati dal Prof. Tomasz Ratajczyk, in collaborazione con ricercatori dell’Istituto di Chimica Fisica dell’Università Tecnica di Darmstadt e della Facoltà di Chimica dell’Università di Varsavia, si sono concentrati su questo problema e hanno inventato una semplice procedura che può essere utilizzata per la generazione di segnali PNL.
Hanno scoperto che il PNL potrebbe essere avviato in SABRE quando vengono utilizzati ligandi semplici come piridina (Py) e dimetilsolfossido (DMSO), e questo può essere fatto con i semplici complessi N-eterociclici carbene (NHC) a base di iridio usati come catalizzatori. Gli esperimenti sono stati eseguiti in tre solventi marcati con deuterio:metanolo-d4 , acetone-d6 e benzene-d6 .
Nel loro lavoro descritto in Angewandte Chemie International Edition , si sono concentrati sulla determinazione delle condizioni necessarie per la generazione della PNL, presentando un'ipotesi riguardante il verificarsi di tale effetto come preludio a ulteriori studi meccanicistici sulla PNL.
"Abbiamo deciso di esaminare da vicino l'interazione tra i processi di attivazione e la comparsa della PNL per ipotizzare quali specie transitorie possano essere potenzialmente interessate da segnali PNL non comuni", afferma il prof. Tomasz Ratajczyk
Hanno registrato il segnale PNL durante il processo di attivazione del catalizzatore, dove l'iperpolarizzazione dei ligandi aumentava e l'intensità del segnale PNL aumentava, raggiungendo il massimo e poi diminuendo. I ricercatori hanno scoperto che la comparsa della PNL è collegata ai processi chimici che si verificano durante l'attivazione pre-catalizzatore. Utilizzando alcuni solventi, hanno anche scoperto che la PNL può essere osservata meglio quando il processo di attivazione è più lento.
Gli studi presentati hanno determinato le condizioni specifiche necessarie per indurre facilmente l'effetto PNL utilizzando l'iperpolarizzazione comune con il protocollo SABRE per molecole semplici come Py o DMSO, nonché condizioni senza ligandi.
Hanno anche trovato un’interessante relazione tra l’intensità del PNL e l’iperpolarizzazione SABRE di Py e DMSO. Si è notato che l'effetto è presente solo durante la fase iniziale di iperpolarizzazione e svanisce con il progredire dell'efficienza dell'iperpolarizzazione.
Il segnale insolito e non comune durante gli studi NMR può essere un punto chiave di ricerca che può essere utilizzato per studiare meccanismi di iperpolarizzazione finora sconosciuti.
Il Prof. Tomasz Ratajczyk aggiunge:"Abbiamo notato anche un'interessante correlazione tra la forza dell'effetto PNL e l'efficienza dell'iperpolarizzazione SABRE di Py e DMSO. Più precisamente, l'effetto PNL è presente solo durante la fase di attivazione, cioè quando l'iperpolarizzazione non è completamente operativa nel campione."
"La comprensione delle condizioni in cui l'effetto PNL può essere osservato in modo riproducibile faciliterà una comprensione più approfondita degli aspetti di base dei meccanismi SABRE, che sono cruciali per l'efficiente iperpolarizzazione dei sistemi biorilevanti."
L'idrogeno è una delle molecole più studiate, il che ha portato a comprenderne bene la chimica. Può essere utilizzato per studi su molti composti, rendendolo un potente strumento per lo studio di molti meccanismi e trovando applicazioni anche in biomedicina.
Tuttavia, alcuni aspetti della chimica dell’idrogeno rimangono ancora un mistero e le sue proprietà possono essere piuttosto sorprendenti. I risultati relativi al suo utilizzo nell'iperpolarizzazione nella NMR, scoperti dai ricercatori dell'IPC PAS, devono ancora essere studiati ulteriormente per determinare i meccanismi alla base del segnale PNL. I risultati mostrano chiaramente l'importanza di rimanere curiosi, anche verso alcune cose apparentemente ben comprese.
Ulteriori informazioni: Marek Czarnota et al, Un metodo semplice per la generazione di ortoidrogeno iperpolarizzato con una linea parzialmente negativa, Angewandte Chemie International Edition (2023). DOI:10.1002/anie.202309188
Informazioni sul giornale: Edizione Internazionale Angewandte Chemie
Fornito dall'Accademia Polacca delle Scienze
