Введение
Техника ядерного магнитного резонанса, используемая для изучения химических реакций. CIDNP (химически индуцированная динамическая ядерная поляризация), часто произносится как "киднип", – это метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР), применяемый для изучения химических реакций с участием радикалов. Он регистрирует не-Больцмановское (нетермическое) распределение ядерных спинов, возникающее в этих реакциях, в виде усиленных сигналов поглощения или излучения. CIDNP был открыт в 1967 году Баргоном и Фишером, а также независимо Уордом и Лоулером. Первоначальные теории основывались на динамической ядерной поляризации (отсюда и название), использующей эффект Оверхаузера. Однако последующие эксперименты показали, что во многих случаях DNP не позволяет объяснить фазу поляризации CIDNP. В 1969 году было предложено альтернативное объяснение, основанное на влиянии ядерных спинов на вероятность рекомбинации или расщепления радикальной пары. Он связан с химически индуцированной динамической электронной поляризацией (CIDEP), поскольку механизм радикальной пары объясняет оба этих явления.
CIDNP (chemically induced dynamic nuclear polarization), often pronounced like "kidnip", is a nuclear magnetic resonance (NMR) technique that is used to study chemical reactions that involve radicals. It detects the non Boltzmann (non thermal) nuclear spin state distribution produced in these reactions as enhanced absorption or emission signals. CIDNP was discovered in 1967 by Bargon and Fischer, and, independently, by Ward and Lawler. Early theories were based on dynamic nuclear polarisation (hence the name) using the Overhauser Effect. The subsequent experiments, however, have found that in many cases DNP fails to explain CIDNP polarization phase. In 1969 an alternative explanation which relies on the nuclear spins affecting the probability of a radical pair recombining or separating. It is related to chemically induced dynamic electron polarization (CIDEP) insofar as the radical pair mechanism explains both phenomena.
Концепция и экспериментальная установка
Эффект обнаруживается с помощью спектроскопии ЯМР, обычно с использованием спектра 1H ЯМР, как усиленные сигналы поглощения или излучения ("отрицательные пики"). Эффект возникает при образовании неспаренных электронов (радикалов) в ходе химической реакции, протекающей с выделением тепла или под действием света внутри ЯМР-трубки. Магнитное поле спектрометра взаимодействует с магнитными полями, создаваемыми спинами протонов. Два спина протонов соответствуют двум немного различающимся уровням энергии. В нормальных условиях незначительно больше ядер, примерно 10 частей на миллион, находятся на более низком энергетическом уровне. В отличие от этого, CIDNP приводит к значительному дисбалансу популяций, с гораздо большим количеством спинов на верхнем энергетическом уровне в некоторых продуктах реакции и большим количеством спинов на нижнем энергетическом уровне в других продуктах. Спектрометр использует радиочастоты для регистрации этих различий.
Механизм пары радикалов
В настоящее время механизм радикальной пары признается наиболее распространенной причиной CIDNP. Эта теория была предложена Клоссом и, независимо от него, Каптейном и Остерхоффом. Однако существуют исключения, и было обнаружено, что механизм DNP действует, например, во многих радикалах, содержащих фтор. Химическая связь представляет собой пару электронов с противоположными спинами. Фотохимические реакции или тепло могут привести к изменению спина электрона в этой связи. Электроны становятся неспаренными, переходя в так называемое триплетное состояние, и связь разрывается. Ориентация некоторых ядерных спинов способствует изменению спинов части неспаренных электронов, что приводит к возвращению к нормальным парам в виде химических связей. Это квантовое взаимодействие известно как спин-орбитальное взаимодействие. Другие ядерные спины оказывают иное влияние на триплетные пары, давая радикальным парам больше времени для разделения и реакции с другими молекулами. В результате продукты рекомбинации будут иметь иное распределение ядерных спинов, чем продукты, образованные разделенными радикалами.
Типичная фотохимическая реакция
Образование CIDNP в типичной фотохимической системе (цель + фотосенсибилизатор, флавин в данном примере) представляет собой циклический фотохимический процесс, схематически изображенный на рисунке 1. Цепь реакций инициируется фотоном синего света, который возбуждает фотосенсибилизатор – флавинмононуклеотид (ФМН) – в синглетное возбужденное состояние. Квантовый выход флуоресценции этого состояния относительно низок, и примерно половина молекул претерпевает интеркомбинационную конверсию в долгоживущее триплетное состояние. Триплетный ФМН обладает значительным сродством к электрону. Если в системе присутствует молекула с низким потенциалом ионизации (например, фенолы или полиароматические соединения), реакция переноса электрона, лимитированная диффузией, формирует спин-коррелированное триплетное состояние переноса электрона – радикальную пару. Кинетика процесса сложна и может включать множественные протонации и депротонации, что обуславливает зависимость от pH. Радикальная пара может либо перейти в синглетное состояние и затем рекомбинировать, либо диссоциировать и исчезнуть в побочных реакциях. Относительная вероятность этих двух путей для конкретной радикальной пары зависит от ядерного спинового состояния и приводит к упорядочиванию ядерных спинов и наблюдаемой ядерной поляризации.
Приложения
CIDNP, проявляющийся в виде усиленных сигналов поглощения или излучения в ЯМР-спектрах продуктов реакции, на протяжении последних 30 лет используется для характеристики мимолетных свободных радикалов и механизмов их реакций. В определенных случаях CIDNP также позволяет значительно повысить чувствительность ЯМР. Основным применением этой фото-CIDNP техники, разработанной Каптейном в 1978 году, стало изучение белков, в которых ароматические аминокислотные остатки гистидин, триптофан и тирозин могут быть поляризованы с использованием флавинов или других азотсодержащих ароматических соединений в качестве фотосенсибилизаторов. Ключевой особенностью метода является то, что реакциям радикальных пар, приводящим к ядерной поляризации, подвержены только остатки гистидина, триптофана и тирозина, доступные для растворителя. Таким образом, фото-CIDNP использовался для исследования поверхностной структуры белков как в нативном, так и в частично свернутом состоянии, а также их взаимодействий с молекулами, изменяющими доступность реакционноспособных боковых цепей. Хотя эффект фото-CIDNP обычно наблюдается в жидкостях, он также был обнаружен в твердом состоянии, например, на ядрах 13C и 15N в фотосинтетических реакционных центрах, где значительная ядерная поляризация может накапливаться в результате процессов спинового отбора в реакциях переноса электронов.