Содержание к диссертации
Введение
1 Литературный обзор 11
1.1 Параводород 11
1.2 Индуцированная параводородом поляризация ядер (ИППЯ) 14
1.2.1 ИППЯ в гомогенных каталитических системах 17
1.2.2 Применение гомогенного ИППЯ для получения гиперполяризованных контрастных агентов в МРТ 21
1.2.3 Ядерная спиновая динамика в экспериментах ИППЯ 24
1.2.4 ИППЯ в гетерогенных каталитических системах 32
1.3 Усиление сигнала посредством обратимого взаимодействия с параводородом
(эффект SABRE) 40
1.3.1 Анти-пересечения ядерных спиновых уровней в контексте наблюдения
эффекта SABRE 43
1.4 Роль реакционных интермедиатов в экспериментах ИППЯ и SABRE 45
1.5 Получение и применение синглетных состояний 46
2 Экспериментальная часть 50
2.1 Материалы и реактивы 50
2.1.1 Получение параводорода 50
2.1.2 Приготовление нанесенных металлических катализаторов 51
2.1.3 Приготовление массивных оксидов и металлов 53
2.1.4 Приготовление гомогенных катализаторов 55
2.2 Приборы и оборудование 55
2.3 Методики проведения экспериментов 58
2.3.1 PASADENA 58
2.3.2 ALTADENA 62
2.3.3 SABRE 64
2.3.4 Получение МРТ-изображений 65
3 Результаты и обсуждение 67
3.1 ПППЯ в гетерогенном гидрировании пропилена: конверсия, релаксация, усиление сигнала ЯМР 67
3.1.1 Конверсия пропилена в реакторе идеального вытеснения 68
3.1.2 Релаксация поляризации пропана 73
3.1.3 Последствия регистрации спектров ЯМР текущих газов 75
3.1.4 Анализ экспериментальных данных 78
3.2 Применение ПППЯ для изучения механизмов реакций гетерогенного гидриро
вания углеводородов 82
3.2.1 Гидрирование параводородом углеводородов Сз 83
3.2.2 Гидрирование параводородом углеводородов С4 86
3.2.3 ПППЯ при гидрировании на массивных металлах и оксидах 94
3.3 МРТ гиперполяризованного пропана 96
3.3.1 3D МРТ пропана в магнитном поле 4,7 Тл 99
3.3.2 МРТ пропана в магнитном поле 47,5 мТл 101
3.4 Получение гиперполяризованных газов: бифазное и стехиометрическое гидрирование параводородом 105
3.5 Усиление сигнала посредством обратимого взаимодействия с параводородом (эффект SABRE) 112
3.5.1 Наблюдение эффекта SABRE в сильных магнитных полях 112
3.5.2 In situ и ex situ ЯМР спектроскопия и томография в слабых магнитных полях 117
Выводы 123
Список работ, опубликованных по теме диссертации 125
Монографии 125
Публикации 125
Тезисы конференций 127
Список литературы 131
- Ядерная спиновая динамика в экспериментах ИППЯ
- Приготовление массивных оксидов и металлов
- Релаксация поляризации пропана
- Получение гиперполяризованных газов: бифазное и стехиометрическое гидрирование параводородом
Ядерная спиновая динамика в экспериментах ИППЯ
В 1986 году Клиффорд Бауэре и Дэниел Вайтекамп из Калифорнийского технологического института предложили «мысленный эксперимент» [17]. Названный PASADENA1 (в честь города Пасадена, в котором находился институт Бауэрса и Вайтекампа), эффект предсказывал наблюдение усиленных Н ЯМР сигналов в спектрах продуктов реакции гидрирования параводородом. Позднее они экспериментально продемонстрировали, что гидрирование акрилонитрила параводородом с использованием катализатора Уилкинсона действительно приводит к наблюдению теоретически предсказанного эффекта [18]. Антифазные мультиплеты в спектрах Н ЯМР были обнаружены как для продукта реакции — пропи-лонитрила, так и для дигидридного комплекса металла, используемого в качестве катализатора гидрирования. Позднее выяснилось, что экспериментальные подтверждения эффекта PASADENA уже были опубликованы ранее [19; 20], но интерпретировались неправильно: для объяснения наличия в спектрах ЯМР антифазных мультиплетов предполагалось существование радикалов и эффектов химической поляризации ядер в реакциях гидрирования. Лишь после опубликования работ Вайтекампа стало понятно, что охлаждение реакционной смеси жидким азотом для замедления скорости реакции приводило к получению некоторого количества параводорода, и наблюдаемые необычные формы линий в спектрах ЯМР были следствием эффекта PASADENA [5; 21]. Эффект PASADENA вместе с открытым годом
Энергетическая диаграмма заселенностей ядерных спиновых подуровней водорода и образующейся при гидрировании параводородом АХ системы продукта реакции и соответствующие спектры 1Н ЯМР. а) Гидрирование и детекция 1Н ЯМР сигнала в сильном магнитном поле (PASADENA), б) Гидрирование в слабом магнитном поле с последующим переносом продукта реакции для детекции 1Н ЯМР сигнала в сильное магнитное поле (ALTADENA). позже эффектом ALTADENA2 [22] (по счастливому стечению обстоятельств, это городок недалеко от Пасадены, где проживал профессор Байтекамп) получил общее название «Индуцированная параводородом поляризация ядер» (ИППЯ) [5].
Детальное описание состояния спиновой системы, которое приводит к наблюдению эффектов PASADENA и ALTADENA, показано в разделе 1.2.3. Однако для качественного понимания принципов ИППЯ достаточно рассмотреть простейшую модель — двухспиновую АХ-систему, образующуюся после вступления п-Нг в реакцию гидрирования. Разрушение магнитной эквивалентности ядер Н приводит к снятию запретов на переходы между энергетическими подуровнями, которые существовали для молекулы водорода. При этом, если реакция гидрирования протекает в сильном магнитном поле, таком, что для двух протонов, поступивших в молекулу-продукт из одной молекулы водорода, разница химических сдвигов много больше константы спин-спинового взаимодействия d yASB0] $ 27rJ), ТО заселенность синглетного состояния ядерных спинов водорода переходит в заселенность состояний \а(3) и І/За) спиновой системы продуктов реакции (эксперимент PASADENA, рис. 1.2а). Если же реакция гидрирования протекает в слабом магнитном поле, таком, что разница химических сдвигов протонов меньше спин-спинового взаимодействия между ними d yASB0] 2"7rJ), и затем продукт реакции адиабатически переносится в сильное магнитное поле, то заселенным оказывается одно из состояний \а(3) или \(3а), в зависимости от знака константы спин-спинового взаимодействия (эксперимент ALTADENA, рис. 1.26).
Если все вышеперечисленные условия выполняются, то продукт реакции гидрирования в ходе проведения экспериментов PASADENA и ALTADENA приобретает неравновесную заселенность ядерных спиновых подуровней.
Чтобы определить, насколько интенсивность ЯМР сигнала продукта реакции гидрирования параводородом (S) превышает интенсивность сигнала ЯМР такой же молекулы с термической поляризацией (б ерм), введем фактический коэффициент усиления сигнала
Сигнал неполяризованного продукта пропорционален термической поляризации (Ртерм), то есть нормированной разнице заселенностей энергетических уровней. Так, при комнатной температуре в магнитном поле стандартного ЯМР спектрометра (7 Тл) термическая поляризация равна [23]: В то же время поляризация продукта реакции гидрирования параводородом (-Ррщр) не зависит от величины внешнего магнитного поля и без учета потерь на релаксацию и декогерент-ность в ходе реакции составляет 0,5 для PASADENA и 1 для ALTADENA экспериментов [24]. Таким образом, теоретический коэффициент усиления в экспериментах PASADENA (r/PAS) и ALTADENA (??ALT) обратно пропорционален величине внешнего магнитного поля и может составлять тысячи единиц в магнитных полях современных ЯМР спектрометров [5] и миллионы единиц в слабых магнитных полях [25]: здесь f = (Axp — 1)/3, аїр — доля параводорода в смеси орто- и пара-изомеров (см. раздел 1.2.3) [24]. Теоретический коэффициент усиления сигнала (г/) равен фактическому (є), только если все молекулы водорода присоединяются к молекулам субстратов парно, и если нет потерь за счет релаксации. Из соотношений (1.3) можно сделать несколько важных выводов. Во-первых, интенсивность ЯМР сигнала продукта реакции гидрирования параводородом в случае эксперимента ALTADENA в 2 раза выше, чем в случае эксперимента PASADENA. Во-вторых, интенсивность сигнала при использовании чистого параводорода (хр = 1) лишь в 3 раза больше, чем при использовании эквимолярной смеси изомеров (жр=0,5). Таким образом, равновесного соотношения ядерных спиновых изомеров водорода, полученного при температуре жидкого азота (77 К, хр 0,5), вполне достаточно для наблюдения эффекта иппя. Все вышеизложенное относится к идеальному случаю, когда предполагается, что реакция происходит быстро, и релаксация с заселенных подуровней имеет место уже после присоединения всех молекул водорода к субстрату [26]. Естественно, что реальные значения коэффициентов усиления будут меньше, чем предсказывают уравнения (1.3), а также будут зависеть от конкретных условий проведения экспериментов.
Так как реакция гидрирования не протекает самопроизвольно, для наблюдения ИППЯ необходимо использовать катализаторы. По типу взаимодействия с реагирующими веществами различают гомогенные и гетерогенные катализаторы. Гомогенные катализаторы находятся в той же фазе, что и реагирующие вещества, в то время как гетерогенные катализаторы находятся в фазе, отличной от фазы реагирующих веществ. Начиная с первых работ Бауэрса и Вайтекампа [17; 18] в качестве катализаторов гидрирования параводородом использовались гомогенные катализаторы: комплексы переходных металлов, растворенные в органических растворителях. Выбор в качестве катализаторов металлокомплексов обусловлен тем, что для них обязательно выполняется условие парного присоединения водорода, так как активный центр таких катализаторов представляет собой единичный атом металла, окруженный органическими лигандами. В последующие 20 лет поле открытия эффект ИППЯ наблюдался исключительно при использовании гомогенных каталитических систем. Невозможность наблюдения ИППЯ при использовании гетерогенных катализаторов высказывалась в некоторых работах [27], однако в 2007 году было показано, что комплексы металлов, иммобилизованные на поверхность инертного носителя, могут приводить к наблюдению эффектов ИППЯ в спектрах Н ЯМР продуктов реакции гидрирования параводородом [8]. Годом позже было показано, что ИППЯ может наблюдаться также на нанесенных металлических катализаторах [9]. С целью структурировать информацию об использовании различных каталитических систем для наблюдения и применения ИППЯ, в данном разделе будет последовательно дан обзор методик гидрирования параводородом в гомогенных и гетерогенных каталитических системах.
Приготовление массивных оксидов и металлов
Для расчета конверсии парного присоединения водорода использовались теоретические значения коэффициента усиления (уравнения (1.14) и (1.15)). Максимальное усиление ЯМР сигнала, которое может быть достигнуто в случае проведения эксперимента PASADENA в поле 7 Тл при гидрировании па-раводородом (хр = 50%), составляет 6950. При оценке степени парного присоединения водорода из спектров Н ЯМР выбирались те же группы линий, что и для оценки конверсии. Для каждого катализатора регистрировались спектры с использованием нормального водорода и параводорода. К сожалению, спектральное разрешение в ЯМР спектрах было недостаточным для выделения отдельных компонентов мультиплетов групп, поэтому интегрировался весь мультиплет в случае использования нормального водорода и положительная часть антифазного мультиплета в случае проведения реакции гидрирования параводородом. В случае гидрирования нормальным водородом расщепление на соседних протонах приводит к уши-рению спектральной линии по оси химического сдвига с сохранением интеграла под кривой. В то же время, для «поляризованных» линий расщепление приводит к частичному взаимоуничтожению положительных и отрицательных компонентов мультиплетов, что уменьшает площадь под положительной частью антифазного мультиплета. Если обычное расщепление мультиплетов в сильном поле может быть описано с помощью биномиальных коэффициентов, составляющих треугольник Паскаля, то расщепление линий PASADENA-эксперимента может быть предсказано из модифицированного треугольника Паскаля, в основании которого стоит не {1, 1}, а {1, -1}:
Так, например, ожидаемое соотношение интенсивностей линий в мультиплете СН2-группы бутана при расщеплении на двух протонах СН2- и трех протонах СН3-группы может быть представлено, как (1, 5, 10, 10, 5, 1) при проведении реакции гидрирования 1,3 бутадиена нормальным водородом и (1, 3, 2, -2, -3, -1) для СН2-мультиплета при использовании параводорода (константы спин-спинового взаимодействия между протонами групп СН2-СН3 и групп СН2-СН2 почти одинаковы и равны 7,2 Гц и 7,1 Гц, соответственно). Таким образом, отношение сигнала, полученного в ходе гидрирования 1,3-бутадиена нормальным водородом к положительной части сигнала, полученного при гидрировании 1,3-бутадиена параводородом, будет равно 32/6 = 5,33. Принимая во внимание тот факт, что вклад в интенсивность наблюдаемой линии в эксперименте PASADENA дает только один протон молекулы параводорода, а интенсивность равновесного сигнала СН2 для молекулы бутана обеспечивают 4 атома водорода, можно оценить максимально возможное значение усиления сигнала СН2-группы бутана, которое будет равно 6950/(5,33 4) « 326. Аналогично можно рассчитать теоретические коэффициенты усиления сигналов для других продуктов реакции. Например, для СН2-группы 1-бутена и СНз-группы 2-бутена коэффициенты усиления равны 652 и 579 соответственно. Данные цифры показывают, во сколько раз был бы усилен сигнал ЯМР в случае 100%-ного парного присоединения водорода. Располагая данными о значениях коэффициентов усиления для соответствующих пиков, можно легко рассчитать конверсии для продуктов парного присоединения водорода.
Значения TOF для парного и непарного присоединения могут быть посчитаны следующим образом. В виду того, что эксперименты проводились в стационарном режиме при постоянной скорости потока реагентов F (//моль/с), зная значения конверсии Хг по каждому из продуктов реакции гидрирования из спектров 1Н ЯМР, записанных в стационарном режиме протекания реакции, можно рассчитать скорость образования продуктов реакций. Учитывая массу навески катализатора т (г) и удельное количество поверхностных атомов металла А (рмоль/т) из данных по хемосорбции водорода, можно получить значение TOF для каждого продукта реакции: где г — 1-бутен, 2-бутен или бутан. Для того, чтобы найти значения TOF в случае парного присоединения, значения Хг рассчитывались из отношения интегралов положительной части поляризованного мультиплета к мультиплету, полученному при гидрировании нормальным водородом с учетом теоретического коэффициента усиления.
В экспериментах ALTADENA (гидрирование параводородом субстрата в слабом магнитном поле с последующим переносом в сильное магнитное поле для детекции ЯМР спектра) газовые смеси подавались в медную трубку, содержащую навеску катализатора, упакованную между двумя фрагментами стеклоткани. Медная трубка нагревалась до необходимой температуры с помощью трубчатой печи, оснащённой термопарой. Далее смесь продуктов реакции подавалась в пустую ампулу ЯМР, находящуюся внутри ЯМР-спектрометра (рис. 2.2в). Спектры ЯМР регистрировались с использованием РЧ импульса длительностью 7г/2, обеспечивающего максимальную интенсивность сигналов (см. разд. 1.2.3). выход газа
Схематичное изображение установок, использовавшихся для осуществления газожидкостного гидрирования. В обоих случаях газовая смесь, содержащая гидрируемый субстрат и п-ЬІ2 барботировалась через раствор гомогенного катализатора. После этого газовый поток, содержащий продукт гидрирования, направлялся в ампулу ЯМР, расположенную в спектрометре, для детектирования ЯМР спектров.
Для проведения экспериментов по бифазному гидрированию использовалось две схемы проведения экспериментов. В первом случае смесь газообразного субстрата с параводородом подавалась через тефлоновый капилляр в нижнюю часть колбы объёмом 50 мл, в которой находился раствор катализатора. Газообразные продукты реакции выходили через боковой отвод в верхней части колбы, откуда по тефлоновому капилляру поступали в ампулу ЯМР для регистрации спектров. При необходимости колба нагревалась с помощью электроплитки или технического фена. Во втором случае использовалась такая же колба, но газовая смесь подавалась через боковой отвод и затем проходила через соединённый с колбой фильтр Шот-та (размер пор 16-40 мкм), заполненный раствором катализатора. Верхняя часть фильтра была закрыта резиновой пробкой, в которую был вставлен тефлоновый капилляр, через который газовая смесь поступала в ампулу ЯМР для регистрации спектров. При необходимости раствор катализатора нагревался с помощью технического фена. Подробная информация о количестве используемых гомогенных катализаторов и растворителях, а также о температуре проведения гидрирования приведена в таблице В.З.
В случае проведения экспериментов по взаимодействию гомогенного комплекса [Rh(I)(NBD)L]BF4 (L = натриевая соль 1,4-бис[(фенил-3-пропансульфонат)фосфин] бутана) с параводородом, 7 мл раствора металлокомплекса (26,7 мМ) в D2O добавлялось в реактор (рис. 2.5а, б). Реактор представлял собой полый цилиндр из полисульфона объемом 56 мл. Для уменьшения объема реактора до 30 мл он был заполнен полипропиленовыми шариками. Спектры :Н ЯМР газовой фазы (эксперимент ALTADENA) были записаны в ходе барботирования параводорода через раствор катализатора. После начала барботирования поток газа держался на постоянном уровне и составлял 5,3 мл/с. Через 230 с реакция прекращалась, что наблюдалось в спектрах ЯМР по исчезновению сигнала гиперполяризованного норборнена (см. рис. 3.23в). Выход
Релаксация поляризации пропана
Несмотря на возможность получения 100%-ной спиновой поляризации методом ИППЯ, в настоящее время экспериментально продемонстрировано только 50% [61; 147]. Данное значение получено после переноса поляризации на ядра 13С в ходе гомогенного гидрирования, в случае же использования гетерогенных катализаторов уровень поляризации на протонах не превышал 3% [76]. Реальный коэффициент усиления, полученный экспериментально, всегда ниже теоретического (максимального) коэффициента усиления по нескольким причинам: (і) из-за релаксации гиперполяризованных продуктов и/или интермедиатов реакции до и во время записи спектров ЯМР; (п) из-за синглет-триплетной конверсии ядерных спинов молекулы водорода, протекающей параллельно с реакцией гидрирования; (ііі) из-за «подавления» сигнала ЯМР термически поляризованных молекул в ходе записи спектров в момент пропускания газовой смеси через РЧ зону; (iv) из-за неаднабатичности изменения профиля магнитного поля в ходе проведения экспериментов ИППЯ (ALTADENA); (v) из-за ушире-ния линий ЯМР, вызванного негомогенностью магнитного поля и записью спектров в момент течения газов через ампулу ЯМР (PASADENA). Оказывается, что варьирование скорости потока реагентов в реакции гетерогенного гидрирования позволяет установить, как факторы (i-v) влияют на недооценку (или переоценку) уровня поляризации продуктов реакции в ходе проведения экспериментов с параводородом.
В данном разделе приведен детальный анализ влияния скорости потока реагентов на конверсию, релаксацию и уровень поляризации пропана, образующегося при гидрирования пропилена параводородом на катализаторе Rh/Ti02. Стоит отметить, что подобный анализ может быть сделан для любой другой молекулы, образующейся при гидрировании параводородом на любом другом гетерогенном катализаторе. Катализатор Rh/Ti02 был выбран, так как он одновременно проявляет достаточно высокую активность в гидрировании, демонстрирует способность обеспечивать значительную долю парности присоединения водорода, а так же работает стабильно в течение долгого времени. Более того, предложенный анализ может быть использован для установления оптимальных условий проведения реакции жидкофазного гетерогенного гидрирования.
Реакция гидрирования пропилена может быть представлена следующим образом: А + В - С где А — пропилен, В — водород (включая как пара-, так и орто-изомер), С — пропан. Будем считать, что реакция гидрирования протекает в реакторе идеального вытеснения (РИВ). Модель РИВ предполагает, что реакция между компонентами газовой смеси протекает только в объеме реактора (V), что в нашем случае оправдано, т. к. мы имеем дело с гетерогенной каталитической реакцией, протекающей только в том объеме, где расположен катализатор. Выделим малый сегмент АV данного объема и проследим за тем, что в него втекает, что вытекает из него, и что образуется внутри него в ходе реакции. В стационарных условиях протекания реакции (когда нет накопления реагентов и продуктов в объеме AV) для компонента А можно записать:
Здесь Xnp — конверсия в пропан по пути непарного присоединения, Хр — конверсия в пропан по пути парного присоединения, X = Хр + Хпр — полная конверсия в пропан, и 9в = FB/F\. Образование двух различных типов молекул пропана можно представить с помощью следующей кинетической схемы: здесь кр — эффективная константа скорости для парного присоединения водорода, а кпр — эффективная константа скорости для непарного, пошагового (диссоциативного) присоединения водорода. Важно понять, что данная схема работает безотносительно того, какой изомер водорода участвует в реакции, главное — это тип присоединения. Даже если в реакции участвует нормальный водород, все равно существует два механизма присоединения: парный и непарный. Так как орто- и параводород химически эквивалентны, процессы (3.2) можно различить только с использованием метода ИППЯ.
Скорость потока газовой смеси вдоль реактора зависит от конверсии, т. к. в ходе реакции меняется полное количество вещества в газовой фазе:
Так как типичные размеры реакторов, используемых в данной работе, были небольшими (длина 2-40 мм, диаметр 2-5 мм), можно пренебречь изменением температуры и давления вдоль реактора в ходе реакции, поэтому положим p-7j? l. Концентрации веществ в газовой фазе можно определить следующим образом:
Отсюда видно, что конверсия линейно пропорциональна сигналу ЯМР только в том случае, когда а = 0, то есть когда концентрация одного реагента значительно превышает концентрацию другого реагента, или когда используется избыток газа-растворителя, например, азота или гелия. С другой стороны, если для получения информации о конверсии использовать сигнал непрореагировавшего пропилена, то вместо уравнения (3.3) следует использовать следующее уравнение: х = УТ - к + аЬл Значение параметра к может быть получено при измерении интеграла сигнала пропилена, когда реакционная смесь протекает через пустой реактор, т. е. когда X = 0. Конечно, конверсия может быть рассчитана по такому-же принципу, как это было описано ранее (см. уравнение (2.1)), то есть как отношение сигнала пропана к сумме сигналов пропилена и пропана, поскольку в этом случае эффект изменения объема становится не важен. Однако такой подход неудобен при нахождении конверсии из спектров, где для продуктов реакции наблюдается ИППЯ. Более того, нахождение конверсии по ЯМР сигналу непрореагировавшего пропилена может быть предпочтительным для дальнейшего нахождения реального коэффициента усиления. Ранее для определения фактического коэффициента (є) усиления сигнал гиперполяризованных молекул, полученных в ходе гидрирования параводородом, сравнивался с сигналом термически поляризованных молекул, полученных либо (і) в ходе гидрирования нормальным водородом, либо (п) после релаксации гиперполяризованных субстратов [10; 76]. Однако если для сравнения использовать ЯМР спектры, полученные в разное время, то необходимо убедиться в том, что конверсия и другие параметры реакции абсолютно одинаковы. Добиться полной воспроизводимости всех экспериментов при проведении гидрирования бывает сложно, так как частые изменения скорости потока реагентов могут препятствовать стационарному режиму работы катализаторов. Оптимальным решением данной проблемы было бы получение информации о сигнале термически поляризованных молекул исходя из данных о конверсии, рассчитанной непосредственно из тех же спектров, из которых извлекается информация о сигнале гиперполяризованных продуктов.
Получение гиперполяризованных газов: бифазное и стехиометрическое гидрирование параводородом
Стоит отметить, что для наблюдения характерных сигналов ИППЯ в спектрах ЯМР необходим активационный период — барботирование раствора катализатора параводородом в течение нескольких минут при повышенной температуре. В присутствии водорода при повышенных температурах катализатор может частично восстанавливаться, что может приводить к образованию наночастиц металла. Действительно, известно, что наночастицы могут быть получены из комплексов переходных металлов при восстановлении последних в достаточно мягких условиях [175; 176]. Таким образом, не исключено, что гидрирование в описанных условиях могло протекать на металлических наночастицах и являлось гетерогенными по своей природе [175].
Одной из особенностей всех спектров ЯМР является присутствие сигналов растворителя (рис. 3.216, в, г). При необходимости пары растворителя могут быть удалены с помощью охлаждающих ловушек. С учетом того, что условия проведения экспериментов и приготовление растворов катализаторов не были оптимизированы, полученные результаты являются важным и многообещающим шагом в сторону получения гиперполяризованных методом ИППЯ газовых контрастных агентов, отделенных от катализатора гидрирования.
Для некоторых приложений было бы удобно получать растворы гиперполяризованных веществ. Это может быть реализовано посредством растворения гиперполяризованных газов или паров жидкостей в подходящем растворителе. С целью демонстрации данной концепции было осуществлено растворение в дейтерированном ацетоне продуктов реакции гидрирова 107 ния 1,3-бутадиена параводородом. Гидрирование проводилось с использованием гетерогенных катализаторов вне ЯМР спектрометра, в то время как растворение продуктов реакции гидрирования осуществлялось в ацетоне-De, находящемся в спектрометре, внутри ампулы ЯМР. Видно, что в ЯМР спектрах растворенных веществ наблюдаются характерные линии, соответствующие гиперполяризованным продуктам, полученным в ходе эксперимента ALTADENA (рис. 3.21е), что демонстрирует состоятельность предложенного подхода. Сравнение усиления сигнала для протонов бутана в газовой и жидкой фазах показало, что не менее 30% поляризации сохраняется в процессе растворения. Аналогичный эксперимент при растворении продуктов гидрирования аллилметилового эфира показал, что можно получать также водные растворы гиперполяризованных веществ.
Вторым подходом к реализации бифазного процесса стало использование стехиометри-ческой, а не каталитической реакции гидрирования. При взаимодействии с параводородом растворенного в дейтерированной воде комплекса [Rh(I)(NBD)L]+BFj (1) ненасыщенный ли-ганд норборнадиен (NBD) превращался в норборнен (NBN), который, будучи нерастворимым в воде, после элиминирования от металла переходил в газовую фазу. Высокая активность комплексов Rh(I) в реакциях гидрирования обеспечивала высокий коэффициент усиления сигнала ЯМР норборнена, что наблюдалось в спектрах ЯМР как в сильных, так и в слабых магнитных полях.
Водорастворимый комплекс (1) был получен в реакции обмена одного из норборнади-еновых лигандов коммерчески доступного комплекса тетрафлюоробората бис(норборнади-ен)родия(І) с водорастворимым бисфосфиновым лигандом (L): [Rh(I)(NBD)2]+BFj + L - [Rh(I)(NBD)L]+BFj + NBD Стоит отметить, что полученный комплекс (1) уже использовался для получения гиперполяризованных контрастных агентов методом ИППЯ [61; 177]. Несмотря на то, что образование гиперполяризованного норборнена в ходе гидрирования параводородом было исследовано ранее [50; 117; 133], в данном случае гиперполяризованный норборнен впервые был обнаружен в газовой фазе. Интересно, что при комнатной температуре и атмосферном давлении норборнен является твердым веществом с температурой плавления 44-46 С, нерастворимым в воде.
Реакция осуществлялась посредством барботирования параводорода через реактор, расположенный в земном поле, с последующим поступлением газообразных продуктов реакции (и непрореагировавшего водорода) в ЯМР спектрометр (400 МГц) для регистрации спектров. Реактор представлял собой герметичную емкость объемом 30 мл, сделанную из полисульфона, с двумя отверстиями: для входа и выхода используемых при барботи-ровании газов (рис. 2.5а). Гидрирование в земном поле с последующим адиабатическим переносом образовавшихся продуктов реакции в сильное магнитное поле соответствует условиям проведения эксперимента ALTADENA. Усиление сигнала и характерная форма линий ЯМР видна для протонов молекулы норборнена, находящихся в положениях 5 и 6 (рис. 3.22в). Стоит отметить, что, несмотря на химическую эквивалентность протонов 5 и 6, они не являются магнитно-эквивалентными (см. А.З), что приводит к возможности наблюдения ИППЯ. Гидрирование комплекса (1) нормальным водородом в аналогичных условиях проведения эксперимента и регистрации сигнала приводило к наблюдению спектра, показанного на рис. 3.22г. Гиперполяризованный норборнен также не удалось обнаружить в жидкой фазе при in situ регистрации сигнала после барботирования параводородом. Отсутствие сигнала ЯМР в газовой фазе при гидрировании комплекса (1) нормальным водородом свидетельствует о низкой концентрации газообразного норборнена. Так как интенсивность сигнала ЯМР при регистрации молекул в текущем потоке газа может быть дополнительно сниженной, был проведен отдельный эксперимент, в котором спектр ЯМР был записан после остановки барботирования параводорода через реактор и ампулу ЯМР. Отсутствие сигнала в данном случае дополнительно подтвердило гипотезу о низкой концентрации молекул норборнена в газовой фазе.
Если в качестве растворителя вместо D2O использовать смесь (СбВб/СЮзОВ=5/1,5), то образовавшийся в ходе элиминирования от металла гиперполяризованный норборнен наблюдается в растворе и не переходит в газовую фазу, что показывает важность влияния растворимости на природу образующегося гиперполяризованного контрастного агента.
Реакция разложения комплекса (1) при гидрировании, строго говоря, не является каталитической, так как не выполняется условие многократного вовлечения металла в промежуточное химическое взаимодействие с участниками реакции. Отсюда очевидно, что концентрация норборнена, образующегося при гидрировании комплекса (1), должна уменьшаться со временем, что и было продемонстрировано (рис. 3.23в). При скорости потока параводорода в 5,3 мл/с максимальный сигнал ЯМР наблюдается через 40 секунд после начала барбо 109
Похожие диссертации на Развитие методов гиперполяризации ядерных спинов с использованием параводорода для приложений ЯМР и МРТ
