Кіріспе

Химиялық реакцияларды зерттеу үшін қолданылатын ядролық магниттік резонанс техникасы. CIDNP (химиялық индукцияланған динамикалық ядролық поляризация), көбінесе "киднәп" деп айтылады, – бұл радикалдарға қатысты химиялық реакцияларды зерттеу үшін қолданылатын ядролық магниттік резонанс (ЯМР) техникасы. Ол осы реакцияларда туындайтын Болцманнан өзгеше (термиялық емес) ядролық спин күйінің таралуын күшейтілген сіңіру немесе эмиссия сигналдары түрінде анықтайды. CIDNP 1967 жылы Баргон мен Фишер, сондай-ақ дербес түрде Уорд пен Лоулер ашқан. Алғашқы теориялар динамикалық ядролық поляризацияға (содан аты шыққан) және Оверхаузер эффектісіне негізделген. Бірақ кейінгі эксперименттер көрсеткендей, көп жағдайда DNP CIDNP поляризация фазасын түсіндіре алмайды. 1969 жылы радикалдар жұбының бірігу немесе ажырасу мүмкіндігіне ядролық спиндердің әсер етуіне негізделген альтернативті түсіндірме ұсынылды. Бұл химиялық индукцияланған динамикалық электрондық поляризацияға (CIDEP) радикалдар жұбының механизмі арқылы байланысты, себебі ол екі құбылысты да түсіндіреді.

Тұжырымдама және тәжірибелік құрылғы

Эффект ЯМР спектроскопиясымен анықталады, әдетте 1H ЯМР спектрін қолдана отырып, сіңіру немесе эмиссия сигналдарының күшеюі ("теріс шыңдар") түрінде. Эффект ЯМР түтігі ішінде жылу немесе жарыққа қатысқан химиялық реакция кезінде жұптаспаған электрондар (радикалдар) пайда болғанда туындайды. Спектрометрдегі магниттік өріс, протон спинінен туындаған магниттік өрістермен өзара әрекеттеседі. Протонның екі спині екі сәл әртүрлі энергия деңгейін құрайды. Қалыпты жағдайда, ядролардың көп бөлігі, шамамен миллионнан 10-ы төменгі энергия деңгейінде орналасады. Ал CIDNP керісінше, өте теңгерімсіз популяцияларды тудырады, реакция өнімдерінің кейбіреулерінде жоғары энергия деңгейінде спиндердің саны айтарлықтай көп, ал басқаларында төменгі энергия деңгейінде спиндердің саны көп болады. Спектрометр осы айырмашылықтарды анықтау үшін радиожиіліктерді пайдаланады.

Радикалдық жұп механизмі

Қазіргі уақытта CIDNP-нің ең көп таралған себебі ретінде радикалдық жұп механизмі қабылданды. Бұл теорияны Клосс, сондай-ақ тәуелсіз түрде Каптейн мен Остерхофф ұсынды. Алайда, ерекшеліктер де бар, мысалы, DNP механизмі көптеген фторлы радикалдарда қолданылып жатыны анықталды. Химиялық байланыс – қарама-қарсы спиндерге ие электрондар жұбы. Фотохимиялық реакциялар немесе жылу байланыстағы электронның спинін өзгертуіне себеп болуы мүмкін. Электрондар енді жұпталмаған, үштік күйде болады, ал байланыс үзіледі. Ядролық спиндердің кейбіреулерінің бағыты, кейбір жұпталмаған электрондарға спиндерін өзгертуге жағдай жасайды, осылайша олар химиялық байланыс ретіндегі қалыпты жұптарға қайта оралады. Бұл кванттық өзара әрекеттесу спин-орбиталық байланыс деп аталады. Басқа ядролық спиндер үштік жұптарға өзгеше әсер етеді, радикалдық жұптарға бөлінуге және басқа молекулалармен әрекеттесуге көбірек уақыт береді. Осының салдарынан, рекомбинация өнімдерінің ядролық спиндерінің таралуы, бөлінген радикалдардың өнімдерінен өзгеше болады.

Типтік фотохимиялық реакция

CIDNP-нің әдеттегі фотохимиялық жүйеде (таргет + фотосенсибилизатор, осы мысалда флавин) пайда болуы 1-суретте схемалық түрде көрсетілген циклдік фотохимиялық процесс болып табылады. Реакциялар тізбегі көк түсті жарық фотонымен басталады, ол флавин мононуклеотидін (FMN) фотосенсибилизаторын синглетті қозу күйіне көтереді. Бұл күйдің флуоресценциялық кванттық шығымы өте төмен, ал молекулалардың шамамен жартысы жүйеаралық өту арқылы ұзақ өмір сүретін триплет күйіне өтеді. Триплет FMN-нің айқын электрондық туыстығы бар. Егер жүйеде төмен иондану потенциалы бар молекула (мысалы, фенолдар, полиароматикалық қосылыстар) болса, диффузиялық шектеулі электрондық берілім реакциясы спиндік корреляцияланған триплет электрондық берілім күйін – радикал жұбын қалыптастырады. Кинетика күрделі және бірнеше протондану мен депротондануларды қамтуы мүмкін, сондықтан pH-қа тәуелділік көрсетеді. Радикал жұбы синглет электрондық күйіне өтіп, содан кейін қайта бірігуі немесе бөлініп, жанама реакцияларда жойылуы мүмкін. Белгілі бір радикал жұбы үшін осы екі жолдың салыстырмалы ықтималдығы ядролық спин күйіне байланысты және ядролық спин күйін сұрыптауға және байқалатын ядролық поляризацияға әкеледі.

Қолданбалар

Реакция өнімдерінің ЯМР спектрінде күшейтілген сіңіру немесе шығару сигналдары ретінде анықталған CIDNP соңғы 30 жылдан бері өткінші еркін радикалдар мен олардың реакция механизмдерін сипаттау үшін қолданылып келеді. Кейбір жағдайларда CIDNP ЯМР сезімталдығын едәуір арттыру мүмкіндігін ұсынады. 1978 жылы Каптейн ұсынған фото-CIDNP әдісінің негізгі қолданылуы – флавиндер немесе басқа азоттық ароматтарды фотосенсибилизаторлар ретінде пайдалана отырып, гистидин, триптофан және тирозин сияқты ароматты аминқышқылдарының қалдықтарын поляризациялауға болатын белоктар. Әдістің маңызды ерекшелігі – тек еріткішпен қол жетімді гистидин, триптофан және тирозин қалдықтары ғана ядролық поляризацияға алып келетін радикалдық жұп реакцияларына түсе алады. Сондықтан фото CIDNP белоктардың беткі құрылымын, олардың табиғи және ішінара бүктелінген күйінде, сондай-ақ реактивті тізбекшелерге қолжетімділікті өзгертетін молекулалармен өзара әрекеттесуін зерттеу үшін пайдаланылған. Көбінесе сұйықтықта байқалатын болса да, фото CIDNP эффекті қатты күйде де анықталды, мысалы, фотосинтез реакция орталықтарындағы 13C және 15N ядроларында, онда электрондық трансфер реакцияларындағы спиндік таңдау процестері нәтижесінде маңызды ядролық поляризация жинақталуы мүмкін.