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.

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.