stringtranslate.com

CIDNP

CIDNP ( химически индуцированная динамическая ядерная поляризация ), часто произносимая как «киднип», представляет собой метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) , который используется для изучения химических реакций, в которых участвуют радикалы . Он обнаруживает небольцмановское (нетепловое) распределение ядерных спиновых состояний, возникающее в этих реакциях, как сигналы усиленного поглощения или излучения.

CIDNP был открыт в 1967 году Баргоном и Фишером, а также независимо Уордом и Лоулером. [1] [2] Ранние теории были основаны на динамической ядерной поляризации (отсюда и название) с использованием эффекта Оверхаузера . Последующие эксперименты, однако, показали, что во многих случаях DNP не может объяснить фазу поляризации CIDNP. В 1969 году было предложено альтернативное объяснение, основанное на том, что ядерные спины влияют на вероятность рекомбинации или разделения радикальной пары.

Это связано с химически индуцированной динамической электронной поляризацией (CIDEP), поскольку механизм радикальной пары объясняет оба явления. [3]

Концепция и экспериментальная установка

Эффект обнаруживается с помощью ЯМР-спектроскопии , обычно с использованием спектра 1 Н-ЯМР, по усилению сигналов поглощения или эмиссии («отрицательные пики»). Эффект возникает, когда неспаренные электроны (радикалы) генерируются во время химической реакции с участием тепла или света внутри трубки ЯМР . Магнитное поле в спектрометре взаимодействует с магнитными полями, вызванными спинами протонов. Два спина протонов создают два немного разных уровня энергии. В нормальных условиях на нижнем энергетическом уровне находится несколько больше ядер, около 10 частей на миллион. Напротив, CIDNP создает сильно несбалансированные популяции с гораздо большим количеством спинов на верхнем энергетическом уровне в некоторых продуктах реакции и с большим количеством спинов на нижнем энергетическом уровне в других продуктах. Спектрометр использует радиочастоты для обнаружения этих различий.

Радикальный парный механизм

Механизм радикальной пары в настоящее время считается наиболее распространенной причиной ХИДНП. Эта теория была предложена Клоссом [4] и независимо Каптейном и Остерхоффом. [5] Однако есть исключения: механизм ДНП оказался работоспособным, например, во многих фторсодержащих радикалах.

Химическая связь представляет собой пару электронов с противоположными спинами. Фотохимические реакции или тепло могут заставить электрон в связи изменить свой спин. Электроны теперь неспарены, в так называемом триплетном состоянии, и связь разрывается. Ориентация некоторых ядерных спинов будет способствовать тому, что некоторые неспаренные электроны изменят свои спины и, таким образом, вернутся к нормальным парам в виде химических связей. Это квантовое взаимодействие известно как спин-орбитальное взаимодействие . Другие ядерные спины будут оказывать различное влияние на триплетные пары, давая радикальным парам больше времени для разделения и реакции с другими молекулами. Следовательно, продукты рекомбинации будут иметь отличное от продуктов разделенных радикалов распределение ядерных спинов.

Типичная фотохимическая реакция

Генерация CIDNP в типичной фотохимической системе (мишень + фотосенсибилизатор , в данном примере флавин ) представляет собой циклический фотохимический процесс, схематически показанный на рисунке 1. Цепочка реакций инициируется фотоном синего света , который возбуждает флавинмононуклеотид (ФМН). фотосенсибилизатор в синглетно-возбужденное состояние . Квантовый выход флуоресценции этого состояния довольно низок, и примерно половина молекул подвергается интеркомбинационному переходу в долгоживущее триплетное состояние . Триплет FMN имеет замечательное сродство к электрону . Если в системе присутствует молекула с низким потенциалом ионизации (например , фенолы , полиароматические соединения ), реакция диффузионно-ограниченного переноса электрона образует спин-коррелированное триплетное состояние переноса электрона – радикальную пару. Кинетика сложна и может включать множественное протонирование и депротонирование и, следовательно, зависит от pH .

Пример механизма радикальной пары

Радикальная пара может либо перейти в синглетное электронное состояние и затем рекомбинировать, либо разделиться и погибнуть в побочных реакциях. Относительная вероятность этих двух путей для данной радикальной пары зависит от состояния ядерного спина и приводит к сортировке состояний ядерного спина и наблюдаемой ядерной поляризации .

Приложения

Обнаруженный как усиленные поглощающие или излучающие сигналы в спектрах ЯМР продуктов реакции, CIDNP использовался в течение последних 30 лет для характеристики временных свободных радикалов и механизмов их реакций . В некоторых случаях CIDNP также дает возможность значительного улучшения чувствительности ЯМР . Основное применение этого метода фото-CIDNP , разработанного Каптеином в 1978 году, было к белкам , в которых остатки ароматических аминокислот гистидин , триптофан и тирозин могут быть поляризованы с использованием флавинов или других азаароматических соединений в качестве фотосенсибилизаторов. Ключевой особенностью метода является то, что только доступные для растворителя остатки гистидина , триптофана и тирозина могут подвергаться реакциям радикальной пары, которые приводят к поляризации ядра. Таким образом, фото-CIDNP использовался для исследования поверхностной структуры белков как в нативном, так и в частично свернутом состояниях, а также их взаимодействия с молекулами, которые изменяют доступность реактивных боковых цепей.

Хотя эффект фото-CIDNP обычно наблюдается в жидкостях, он также был обнаружен в твердом состоянии, например, на ядрах 13 C и 15 N в фотосинтетических реакционных центрах, где значительная ядерная поляризация может накапливаться в результате процессов спиновой селекции при переносе электрона. реакции.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Баргон, Дж.; Фишер, Х.; Джонсен, У. (1967). «Kernresonanz-Emissionslinien während rascher Radikalreaktionen». Zeitschrift für Naturforschung A. 22 (10): 1551. doi : 10.1515/zna-1967-1014 . S2CID  201828719.
  2. ^ «Ядерно-магнитно-резонансная эмиссия и усиленное поглощение в быстрых металлоорганических реакциях». Журнал Американского химического общества . 89 : 5517. 1967.
  3. ^ Вьюшкова, Мария (апрель 2011 г.). «Основные принципы и приложения спиновой химии» (PDF) . nd.edu . Университет Нотр-Дам . Проверено 21 ноября 2016 г.
  4. ^ Клосс, Г.Л. (1974). «Химически индуцированная динамическая ядерная поляризация». Достижения в области магнитного и оптического резонанса . Том. 7. С. 157–229. дои : 10.1016/B978-0-12-025507-8.50009-7. ISBN 978-0120255078.
  5. ^ Каптейн, Р.; Остерхофф, Дж. Л. (1969). «Химически индуцированная динамическая ядерная поляризация II: (Связь с аномальными спектрами ЭПР)». Письма по химической физике . 4 (4): 195. Бибкод : 1969CPL.....4..195K. дои : 10.1016/0009-2614(69)80098-9.

дальнейшее чтение

  1. Муус, Литва; Аткинс, П.В.; Маклаухлан, Калифорния; Педерсен, Дж. Б., ред. (1977). Химически индуцированная магнитная поляризация . Дордрехт: Д. Рейдель .
  2. Гоэз, Мартин (2007). «Фотохимически индуцированная динамическая ядерная поляризация». Достижения фотохимии . стр. 63–163. дои : 10.1002/9780470133545.ch2. ISBN 9780470133545.
  3. Каптейн, Роберт (1982). «Фото-CIDNP-исследования белков». Биологический магнитный резонанс . стр. 145–191. дои : 10.1007/978-1-4615-6540-6_3. ISBN 978-1-4615-6542-0.
  4. Каптейн Р.; Дейкстра, К.; Николай, К. (1978). «Лазерный фото-CIDNP как поверхностный зонд для белков в растворе». Природа . 274 (5668): 293–294. Бибкод : 1978Natur.274..293K. дои : 10.1038/274293a0. PMID  683312. S2CID  4162279.
  5. Хор, Дж.; Бродхерст, RW (1993). «Фото-ХИДНП биополимеров». Прогресс в спектроскопии ядерного магнитного резонанса . 25 (4): 345–402. дои : 10.1016/0079-6565(93)80002-Б.
  6. Купров И.; Хор, П.Дж. (2004). «Химически усиленные ядерные эффекты Оверхаузера 19F – 1H». Журнал магнитного резонанса . 168 (1): 1–7. Бибкод : 2004JMagR.168....1K. дои : 10.1016/j.jmr.2004.01.011. ПМИД  15082243.
  7. Пракаш, Шипра; Алия; Гаст, Питер; Де Гроот, Хууб Дж. М.; Матисик, Йорг; Йешке, Гуннар (2006). «Фото-CIDNP MAS ЯМР в интактных клетках RhodobactersphaeroidesR26: молекулярное и атомное разрешение при наномолярной концентрации». Журнал Американского химического общества . 128 (39): 12794–12799. дои : 10.1021/ja0623616. hdl : 1887/3455644 . ПМИД  17002374.