"Molekylära burar" är strukturer i nanostorlek som kan binda och transportera andra molekyler som medicinska föreningar. För att frigöra dem igen på ett riktat sätt, information om deras struktur och egenskaper behövs, men dessa paramagnetiska föreningar är svåra att analysera. Kredit:Kiel University
Kemi och strukturbiologi använder standardmetoderna för NMR-spektroskopi (NMR =kärnmagnetisk resonans) för att undersöka strukturen hos molekyler inklusive stora molekyler som proteiner i lösning. De NMR-aktiva kärnorna, såsom väteatomer, exciteras med hjälp av radiofrekvenspulser i spektrometrar med starka magnetfält. Kärnornas olika miljöer kan detekteras och slutsatser om molekylstrukturen kan dras från analys av de genererade spektra.
Med sådana NMR-metoder kan strukturen hos diamagnetiska molekyler redan studeras mycket väl. I dessa molekyler paras elektronerna ihop och deras NMR-spektra är enkla att analysera eftersom signalerna vanligtvis är skarpa och i distinkta områden enligt molekylens struktur. Dock, med NMR-metoder är det svårt att undersöka strukturen hos paramagnetiska föreningar, som har oparade elektroner. Dessa inkluderar, till exempel, vissa medicinska kontrastmedel. De attraheras av externa magnetfält och stör mätningarna. Kemister vid Kiel University (CAU) har nu lyckats utveckla en verktygslåda med NMR-metoder som, för första gången, möjliggöra detaljerad strukturell analys av paramagnetiska komplex i lösning. De demonstrerade nyligen de omfattande tillämpningsmöjligheterna för deras verktygslåda inom olika kemiområden och bortom i den berömda tidskriften Angewandte Chemie .
Även komplexa "molekylära burar" kan analyseras mer i detalj än någonsin tidigare
"Antalet lämpliga NMR-metoder för paramagnetiska komplex har hittills varit begränsat. Strukturell information går vanligtvis förlorad eftersom signalerna är breda och i mindre förutsägbara regioner, "förklarar Anna McConnell, Juniorprofessor vid Otto Diels Institute of Organic Chemistry vid CAU. Hon undersöker paramagnetiska "molekylära burar, " där flera molekyler självmonterar sig till mer komplexa strukturer med en kavitet som kan binda andra molekyler. Som ett långsiktigt mål, dessa molekyler kan vara till exempel, medicinska ämnen som transporteras och släpps ut i vissa delar av kroppen. "Men för detta behöver vi först mer information om strukturerna hos dessa paramagnetiska komplex, " fortsätter McConnell.
Tillsammans med ett forskargrupp från instituten för organisk och oorganisk kemi, McConnell har utvecklat olika NMR-metoder för att tillförlitligt erhålla och tolka NMR-data om paramagnetiska föreningar. Används i kombination, metoderna i deras verktygslåda ger en heltäckande bild av sådana molekylära strukturer. I vissa fall, resultaten är ännu bättre än de med jämförbara standardmetoder för konventionella diamagnetiska föreningar, laget hittade. "Datainsamlingen för de paramagnetiska föreningarna var mycket snabbare och, i vissa fall, vi fick den strukturella informationen i ett paramagnetiskt experiment istället för flera experiment för en diamagnetisk förening, sa McConnell.
Med Kiel -teamets tekniker, konventionella spektrometrar som den här från den spektroskopiska avdelningen vid Otto Diels Institute of Organic Chemistry kan anpassas för att undersöka paramagnetiska föreningar. Kredit:Julia Siekmann, CAU
Instruktionsmanualen möjliggör enkel anpassning till vilken spektrometer som helst
Forskargruppen genomförde detaljerade undersökningar av 500 och 600 MHz-spektrometrarna i spektroskopiavdelningen vid Otto Diels Institute of Organic Chemistry för att bestämma hur man anpassar standardexperimenten för analys av de paramagnetiska komplexen. Med detta, de tog fram en bruksanvisning om hur man applicerar verktygslådan på andra paramagnetiska komplex och spektrometrar. "Utvecklingen av dessa paramagnetiska NMR-metoder är ett stort genombrott för vår dagliga forskning och vi hoppas att de kommer att hjälpa andra forskare lika mycket som oss, sa Marc Lehr, Ph.D. student i McConnells grupp och första författare till tidningen. Forskargruppen hoppas att detta kommer att bidra till tillämpningen av dessa metoder inom olika områden av kemi och utanför. I sin studie visade de verktygslådans breda mångsidighet för åtminstone områden från koordinationskemi och spin-crossover-komplex till supramolekylär kemi.
Som nästa steg, forskargruppen planerar att tillämpa dessa metoder för analys av större och ännu mer komplexa paramagnetiska burar. "Molekylära burar vars strukturer kan förändras genom bestrålning med ljus är ett exempel på en mer komplex bur. Genom att använda ljuskänsliga burar kanske vi kan släppa ut gästmolekylerna på ett verkligt riktat sätt i framtiden, " hoppas McConnell.
