CIDNP ( polarización nuclear dinámica inducida químicamente ), a menudo pronunciada como "kidnip", es una técnica de resonancia magnética nuclear (RMN) que se utiliza para estudiar reacciones químicas que involucran radicales . Detecta la distribución del estado de espín nuclear no Boltzmann (no térmico) producida en estas reacciones como señales de absorción o emisión mejoradas.
El CIDNP fue descubierto en 1967 por Bargon y Fischer y, de forma independiente, por Ward y Lawler. [1] [2] Las primeras teorías se basaban en la polarización nuclear dinámica (de ahí el nombre) utilizando el efecto Overhauser . Sin embargo, los experimentos posteriores han descubierto que en muchos casos el DNP no explica la fase de polarización del CIDNP. En 1969 se presentó una explicación alternativa que se basa en que los espines nucleares afectan la probabilidad de que un par de radicales se recombine o se separe.
Está relacionado con la polarización dinámica de electrones inducida químicamente (CIDEP) en la medida en que el mecanismo de pares de radicales explica ambos fenómenos. [3]
El efecto se detecta mediante espectroscopía de RMN , normalmente utilizando el espectro de RMN 1H , como señales de absorción o emisión mejoradas ("picos negativos"). El efecto surge cuando se generan electrones desapareados (radicales) durante una reacción química que involucra calor o luz dentro del tubo de RMN . El campo magnético del espectrómetro interactúa con los campos magnéticos causados por los espines de los protones. Los dos espines de los protones producen dos niveles de energía ligeramente diferentes. En condiciones normales, se encuentran un poco más de núcleos, alrededor de 10 partes en un millón, en el nivel de energía inferior. Por el contrario, CIDNP produce poblaciones muy desequilibradas, con un número mucho mayor de espines en el nivel de energía superior en algunos productos de la reacción y un número mayor en el nivel de energía inferior en otros productos. El espectrómetro utiliza radiofrecuencias para detectar estas diferencias.
El mecanismo del par radical se acepta actualmente como la causa más común de CIDNP. Esta teoría fue propuesta por Closs, [4] y, de forma independiente, por Kaptein y Oosterhoff. [5] Sin embargo, hay excepciones y se ha demostrado que el mecanismo DNP funciona, por ejemplo, en muchos radicales que contienen flúor.
El enlace químico es un par de electrones con espines opuestos. Las reacciones fotoquímicas o el calor pueden hacer que un electrón del enlace cambie su espín. Los electrones ahora están desapareados, en lo que se conoce como estado triplete, y el enlace se rompe. La orientación de algunos de los espines nucleares favorecerá que algunos electrones desapareados cambien sus espines y, por lo tanto, vuelvan a los pares normales como enlaces químicos. Esta interacción cuántica se conoce como acoplamiento espín-órbita . Otros espines nucleares ejercerán una influencia diferente sobre los pares tripletes, dando a los pares de radicales más tiempo para separarse y reaccionar con otras moléculas. En consecuencia, los productos de la recombinación tendrán diferentes distribuciones de espines nucleares que los productos producidos por radicales separados.
La generación de CIDNP en un sistema fotoquímico típico (objetivo + fotosensibilizador , flavina en este ejemplo) es un proceso fotoquímico cíclico que se muestra esquemáticamente en la Figura 1. La cadena de reacciones se inicia con un fotón de luz azul , que excita el mononucleótido de flavina (FMN). fotosensibilizador al estado excitado singlete . El rendimiento cuántico de fluorescencia de este estado es bastante bajo y aproximadamente la mitad de las moléculas atraviesan un cruce entre sistemas hacia el estado triplete de larga duración . El triplete FMN tiene una notable afinidad electrónica . Si en el sistema hay una molécula con un potencial de ionización bajo (p. ej. fenoles , poliaromáticos ), la reacción de transferencia de electrones por difusión limitada forma un estado de transferencia de electrones triplete correlacionado por espín: un par de radicales. La cinética es complicada y puede implicar múltiples protonaciones y desprotonaciones y, por tanto, exhibe dependencia del pH .
El par de radicales puede pasar a un estado de electrón singlete y luego recombinarse, o separarse y perecer en reacciones secundarias. La probabilidad relativa de estas dos vías para un par de radicales determinado depende del estado de espín nuclear y conduce a la clasificación del estado de espín nuclear y a la polarización nuclear observable .
Detectado como señales de absorción o emisión mejoradas en los espectros de RMN de los productos de reacción, el CIDNP se ha explotado durante los últimos 30 años para caracterizar los radicales libres transitorios y sus mecanismos de reacción . En ciertos casos, CIDNP también ofrece la posibilidad de grandes mejoras en la sensibilidad de RMN . La principal aplicación de esta técnica foto-CIDNP , ideada por Kaptein en 1978, ha sido en proteínas en las que los residuos de aminoácidos aromáticos histidina , triptófano y tirosina pueden polarizarse utilizando flavinas u otros azaaromáticos como fotosensibilizadores. La característica clave del método es que sólo los residuos de histidina , triptófano y tirosina accesibles a disolventes pueden sufrir reacciones de pares de radicales que dan como resultado la polarización nuclear. Por tanto, el foto-CIDNP se ha utilizado para investigar la estructura superficial de proteínas , tanto en estado nativo como parcialmente plegado , y sus interacciones con moléculas que modifican la accesibilidad de las cadenas laterales reactivas.
Aunque normalmente se observa en líquidos, el efecto foto-CIDNP también se ha detectado en estado sólido, por ejemplo en núcleos de 13 C y 15 N en centros de reacción fotosintética, donde se puede acumular una polarización nuclear significativa como resultado de procesos de selección de espín en la transferencia de electrones. reacciones.