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]
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.
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.
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 .
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 .
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.