La CIDNP ( polarización nuclear dinámica inducida químicamente ), que a menudo se pronuncia como "kidnip", es una técnica de resonancia magnética nuclear (RMN) que se utiliza para estudiar las reacciones químicas que involucran radicales . Detecta la distribución del estado de espín nuclear no Boltzmann (no térmica) que se produce en estas reacciones como señales de absorción o emisión mejoradas.
La CIDNP fue descubierta 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 la DNP no explica la fase de polarización de la CIDNP. En 1969 se propuso una explicación alternativa que se basa en los espines nucleares que afectan a la probabilidad de que un par de radicales se recombine o se separe.
Está relacionado con la polarización electrónica dinámica inducida químicamente (CIDEP) en la medida en que el mecanismo de pares radicales explica ambos fenómenos. [3]
El efecto se detecta mediante espectroscopia de RMN , generalmente utilizando el espectro de RMN de 1 H, 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 en el espectrómetro interactúa con los campos magnéticos que son 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 ligeramente más núcleos, aproximadamente 10 partes en un millón, en el nivel de energía inferior. En contraste, 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 mayor número en el nivel de energía inferior en otros productos. El espectrómetro utiliza frecuencias de radio para detectar estas diferencias.
El mecanismo de pares radicales 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, existen excepciones y se ha descubierto que el mecanismo de 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 quedan ahora 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 en los pares de tripletes, lo que dará 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 de 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 fotosensibilizador mononucleótido de flavina (FMN) al estado excitado singlete . El rendimiento cuántico de fluorescencia de este estado es bastante bajo, y aproximadamente la mitad de las moléculas experimentan un cruce entre sistemas hacia el estado triplete de larga duración . El FMN triplete tiene una notable afinidad electrónica . Si una molécula con un potencial de ionización bajo (por ejemplo, fenoles , poliaromáticos ) está presente en el sistema, la reacción de transferencia de electrones limitada por difusión forma un estado de transferencia de electrones triplete correlacionado con el espín: un par de radicales. La cinética es complicada y puede involucrar múltiples protonaciones y desprotonaciones , y por lo 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 radicales libres transitorios y sus mecanismos de reacción . En ciertos casos, el CIDNP también ofrece la posibilidad de grandes mejoras en la sensibilidad de RMN . La principal aplicación de esta técnica de foto-CIDNP , tal como la ideó Kaptein en 1978, ha sido para proteínas en las que los residuos de aminoácidos aromáticos histidina , triptófano y tirosina pueden polarizarse utilizando flavinas u otros aza-aromáticos como fotosensibilizadores. La característica clave del método es que solo los residuos de histidina , triptófano y tirosina accesibles al disolvente pueden experimentar las reacciones de pares radicales que dan como resultado la polarización nuclear. Por lo tanto, el foto-CIDNP se ha utilizado para investigar la estructura de la superficie de las proteínas , tanto en estados nativos como parcialmente plegados , y sus interacciones con moléculas que modifican la accesibilidad de las cadenas laterales reactivas.
Aunque generalmente 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 puede acumularse una polarización nuclear significativa como resultado de procesos de selección de espín en las reacciones de transferencia de electrones.