velikost textu

Dynamics of paramagnetic complexes observed by Nuclear Magnetic Resonance

Upozornění: Informace získané z popisných dat či souborů uložených v Repozitáři závěrečných prací nemohou být použity k výdělečným účelům nebo vydávány za studijní, vědeckou nebo jinou tvůrčí činnost jiné osoby než autora.
Název:
Dynamics of paramagnetic complexes observed by Nuclear Magnetic Resonance
Název v češtině:
Dynamika paramagnetických komplexů a její studium pomocí jaderné magnetické rezonance
Typ:
Rigorózní práce
Autor:
Mgr. Jan Blahut
Id práce:
201265
Fakulta:
Přírodovědecká fakulta (PřF)
Pracoviště:
Katedra anorganické chemie (31-240)
Program studia:
Chemie (N1407)
Obor studia:
Anorganická chemie (NANORD)
Přidělovaný titul:
RNDr.
Datum obhajoby:
14. 5. 2018
Výsledek obhajoby:
Prospěl/a
Jazyk práce:
Angličtina
Klíčová slova:
komplexy; makrocykly; molekulární zobrazování, NMR; dynamicka; relaxace; paramagnetické kovy
Klíčová slova v angličtině:
complexes; macrocycles; molecular imaging; NMR; dynamics; relaxations; paramagnetic metals
Abstrakt:
Abstrakt Předložená práce se zaměřuje především na vývoj nových kontrastních látek pro zo- brazování jadernou magnetickou rezonancí (MRI). Většina těchto látek je založena na koordinačních sloučeninách přechodných a vnitřně přechodných kovů. Studi- um struktury a dynamiky těchto komplexů pomocí jaderné magnetické resonance (NMR) je tedy hlavním spojujícím prvkem celé této práce. Přítomnost nepárových elektronů paramagnetického iontu kovu v blízkosti sle- dovaného jádra má zásadní vliv na jeho vlastnosti z pohledu NMR. Hlavními efekty jsou výrazné rozšíření škály chemických posunů a zrychlení relaxačních procesů. Tyto efekty znesnadňují měření často až to té míry, že není možné detekovat žádné spektrum NMR. Na druhou stranu mohou tyto paramagneti- cké efekty měření urychlit díky rychlému ustavování rovnováhy zrychlenou po- délnou relaxací. Případně může přítomnost paramagnetika přinést nové informa- ce o studované látce, mimo jiné díky odstranění náhodných překryvů signálů ve spektru. Teoretické aspekty studia paramagnetických molekul pomocí NMR jsou diskutovány v úvodu práce. První část diskuze této práce je zaměřena přímo na vývoj nových kontrastních látek pro MRI využívající jádra 19F. Tyto látky jsou založené na nikelnatých, kobaltnatých a kobaltitých komplexech ligandů obsahujících fluorové atomy. V práci je diskutována syntéza těchto látek, jejich stabilita a isomerie. Mimo jiné byly popsány výrazné rozdíly v kinetické inertnosti získaných nikelnatých komplexů. Zatímco komplex ligandu s karboxylovými pendantními raménky se rozkládá ve 12 m vodné HCl až po několikadenním zahřívání na 80 °C, komplex ligandu s 2-aminoethylovými pendantními raménky je hydrolyzován již za několik hodin i v neutrální vodě při 25 °C. Pozorováno bylo výrazné zrychlení relaxačních rychlostí fluorového jádra vlivem dipol-dipolové interakce s elektrony nikelnatého iontu, stejně tak jako podobné, avšak menší, zrychlení relaxace vlivem elektronů kobaltnatého iontu. Studium 19F- NMRD profilu jednoho z nikelnatých komplexů ukázalo, že elektronová relaxační rychlost je závislá na intenzitě magnetického pole. Mechanismem vyvolávajícím tuto relaxaci je ”transient zero-field splitting“. Byl prokázán nárůst efektivity kontrastních látek pro 19F-MRI vlivem těchto změn relaxačního času. Druhá část práce je zaměřena na studium přeměny TSAP↔SAP isomerů ko- ordinačních sloučenin trojmocných lanthanoidů s ligandem H4dota a jeho analo- gem obsahujícím fosfonátovou skupinu (H5do3ap). Pro tento účel byla využita NMR pulzní sekvence upravené podle nároků konkrétního paramagnetického kovu. Stejně tak byla zdokonalena analýza získaných dat. Díky tomu byly získány přesné kinetické a termodynamické parametry pohybu pendantních ramen a překlopení ethylenových můstků cyklu. Ty byly následně využity jako srovnávací kritéria pro vyhodnocení teoretických (DFT) výpočtů. Tímto způsobem byl objasněn také mechanismus studovaných procesů. Mimo jiné byl popsán neobvyklý mechanismus pohybu pendantních ramen, jež prochází intermediátní strukturou s bidentátně koordinovanou fosfonátovou skupinou, který nebyl doposud v literatuře popsán. Kromě toho, že se podařilo detailně popsat chování těchto komplexů důležitých pro praxi, podařilo se také vyvinout obecnou metodu pro sledování rychlých po- hybů v přítomnosti paramagnetického centra. Ta může být dále využita například při studiu bílkovin, či při vývoji baterií.
Abstract v angličtině:
Abstract In this Thesis, structure and dynamics of paramagnetic complexes for medical application are studied by Nuclear Magnetic Resonance (NMR). It focuses mainly on development of contrast agents (CA) for Magnetic Resonance Imaging (MRI) which is one of the most effective radiodiagnostic method nowadays. Most of the MRI CAs contains paramagnetic complexes of d- and f-metal ions. The presence of unpaired electron in proximity of NMR active nuclei has two main effects: paramagnetically induced shift and paramagnetically induced relaxa- tion. Both processes can dramatically change the NMR spectrum and often make it unobservable at all. Nevertheless, in many cases, acquisition of such spectra is possible and sometimes even less time-consuming than observation of diamag- netic molecules. Enhanced T1 relaxation allows faster pulse sequence repetition and increased chemical shift dispersion may lead to resolution of originally over- lapped signals. Moreover, the analysis of paramagnetic effects can provide useful information about the structure and dynamics of the studied system. Theoretical background of these effects is described in the Introduction of the Thesis. In the first part of Discussion in the Thesis, a new class of contrast agents for 19F-MRI based on nickel(II) and cobalt(II/III) ions is introduced and discussed. Structure and dynamics of their complexes with fluorinated ligands is discussed together with formation, dissociation and isomerism of these complexes. A huge difference in the kinetic inertness of nickel(II) complexes was observed. The com- plex of the ligand with with acetate pendant arms withstand days in 12 m aqueous HCl at 80 °C, while its analogue with 2-aminoethyl pendant arms dissociates after a few hours in neutral water at room temperature. Strong relaxation enhancement of 19F nucleus in proximity of nickel(II) was observed and it is associated with dipole-dipole interaction between 19F and slowly relaxing unpaired electrons of nickel(II). Smaller, but still reasonable relaxation enhancement was observed in cobalt(II) complexes as well. Analysis of the 19F- NMRD profile for one of the nickel(II) complexes showed that relaxation of the nickel(II) electrons is magnetic field-dependent and it is modulated by transient zero-field-splitting mechanism. Significant increase of 19F-MRI CA efficiency was described for these compounds when the complexes are detected by fast MRI pulse sequences. Internal (TSAP↔SAP) dynamics of Ln3+ complexes with H4dota and H5do3ap ligands is the subject of the second part of the Thesis Discussion. The NMR pulse sequence and data analysis were optimised to determine precise exchange rates and activation parameters of both the arm rotation and the macrocyclic ethylene ring inversion. The results were compared with detailed DFT calculations which were done in order to reveal mechanism of the exchange. Unexpected intermediate with bidentate phosphonate group was shown to be involved in the arm rotation process of [Eu(do3ap)(H2O)]2− complex. Beside the description of the important process in widely studied complexes with DOTA-like ligands, the developed methodology can be generally applied in many dynamic paramagnetic systems such as proteins with open-shell ions or in battery materials.
Dokumenty
Stáhnout Dokument Autor Typ Velikost
Stáhnout Text práce Mgr. Jan Blahut 27.08 MB
Stáhnout Abstrakt v českém jazyce Mgr. Jan Blahut 83 kB
Stáhnout Abstrakt anglicky Mgr. Jan Blahut 110 kB
Stáhnout Záznam o průběhu obhajoby prof. RNDr. Petr Hermann, Dr. 151 kB