Die Anwendung von neuartigen Ir-Komplexen bei der parawasserstoffinduzierten Signalverstärkung in der NMR-Spektroskopie

Seitdem ALFRED WERNER den Begriff "Komplex" prägte, hat sich die Forschung an Komplexen und deren Anwendungsgebieten in der Naturwissenschaft, Industrie und Medizin stetig weiterentwickelt. Nach der Definition von WERNER setzt sich ein Komplex aus einem Metall-zentrum (MZ) mit einer bestimmten Anzahl an koordinierten Liganden zusammen. Durch erfolgreiche Forschung auf dem Gebieten der Koordinationschemie und Organometallchemie können heute Übergangsmetallkomplexe (ÜM-Komplexe) effektiv entwickelt und genutzt werden. Sie werden beispielweise bei Hydrierungs- und Polymerisationsreaktionen oder der Herstellung von Feinchemikalien eingesetzt.
Die Diversität an Übergangsmetallen (ÜM) und deren Komplexen hat einen entscheidenden Beitrag zum Fortschritt dieser Gebiete geleistet. Die Grundlage dieser Arbeit bilden Iridium (Ir) basierte ÜM-Komplexe. Das Iridium aus der neunten Gruppe im Periodensystem der Elemente (PSE) spielt eine essenzielle Rolle in der Koordinationschemie. Durch die nicht vollständig besetzte d-Elektronenschale des Ir-Atoms kann eine Vielfalt unterschiedlicher Liganden wie zum Beispiel Carbonyle, Phosphine, Cyclooctadiene und N-heterocyclische Carbene (NHC) an Ir koordinieren. Insbesondere die NHC-Liganden weisen eine hohe Elektronentransferkapazität und Koordinationsfähigkeit an Ir auf. Dadurch wird der Einsatz unterschiedlicher Ir-NHC-Komplexe (Ir-NHC) in einer Vielzahl von Reaktionen wie beispielweise Olefinmetathese, Hydroformylierungen und Hydrierung realisierbar.
Im Jahr 1991 wurden die NHC-Liganden erstmals von ARDUENGO und seinen Mitarbeitern als stabile Liganden isoliert. Aufgrund der Besetzung von sechs Elektronen in der Valenzschale des Carbenkohlenstoffs weisen NHC-Liganden eine hohe Koordinationsaffinität gegenüber ÜM wie Ir, unabhängig von deren Oxidationsstufe, auf. Dank der Modifikation von Substituenten am Carbenring können sie als funktionalisierte, chelatisierende, chirale sowie als wasserlösliche Liganden synthetisiert werden. Diese Diversität in der strukturellen Konstitution bringt einen enormen Einsatzbereich für diese Liganden und die dazugehörigen Komplexe mit sich.
Zur Untersuchung der Eigenschaften und Aufklärung der Struktur und Dynamik von Ir-NHC in Flüssigkeiten und Feststoffen kann als leistungsfähige Technik die kernmagnetische Resonanzspektroskopie (engl.: Nuclear Magnetic Resonance, (NMR)) eingesetzt werden. Eine Herausforderung dabei ist die geringe Empfindlichkeit der NMR bei Raumtemperatur (RT) aufgrund des kleinen Besetzungsunterschieds von den Kernspinzuständen in der BOLTZMANN-Verteilung. Um dem entgegenzuwirken, kann durch die Anwendung von Hyperpolarisationsmethoden (HP-Methoden) eine Neuverteilung der Kernspinbesetzung erzeugt werden, welche zu einer Signalverstärkung um mehrere Größenordnungen führt. Der erfolgreichste Vertreter dieser Methoden ist die dynamische Kernpolarisation (engl.: Dynamic Nuclear Polarisation, (DNP)). Hierbei wird die Polarisation durch die Wechselwirkung von ungepaarten Elektronen eines Radikals auf Kernspins der Probe übertragen, wodurch in den entsprechenden NMR-Spektren deutlich verstärkte Signale beobachtet werden können. Darüber hinaus bietet sich Parawasserstoff (pH2) für den Polarisationstransfer bei Parawasserstoff-Induzierter Polarisation (engl.: Parahydrogen Induced Polarization, (PHIP) sowie für Signalverstärkung durch reversiblen Austausch (engl.: Signal Amplification By Reversible Exchange, (SABRE)) an. Bei beiden Methoden wird die Polarisation von pH2 auf das zu polarisierende Molekül (Substrat - s. Abschn. 3.2.3-4) übertragen. Bei PHIP wird dies über eine katalytische Hydrierungsreaktion des Substrats erreicht. Der Verlauf der SABRE-Experimente basiert auf einer reversiblen Ir-Ligand-Bindung. Der Polarisationstransfer von pH2 auf das Substrat verläuft im Vergleich zu PHIP ohne chemische Modifikation, welches als besonderer Vorteil dieser HP-Methode betrachtet wird. SABRE besitzt das Potential als hyperpolarisiertes bildgebendes Verfahren in der Medizin Anwendung zu finden. Jedoch verläuft, bis dato, der Großteil der SABRE-Messungen unter nicht biokompatiblen Bedingungen. Wesentliches Problem ist die Trennung des Katalysators vom hyperpolarisierten Substrat. Um die Anwendung und Entwicklung von SABRE als Hyperpolarisationsmethode für bildgebendes Verfahren in der Medizin etablieren zu können, ist die Abtrennung des Ir-NHC-Komplexes unabdingbar. Im Rahmen dieser Arbeit werden zwei Möglichkeiten zur Abtrennung des Ir-NHC-Komplexes vorgestellt (s. Abschn. 4.7 u. 5). Die Ligandenkonstitution der NHC-Liganden ermöglicht beispielsweise die Trennung durch Filtration von Ir-NHC entweder durch die Immobilisierung des Komplexes mit dem Alkoxysilan-Ligand auf geeigneten Trägermaterialien oder durch Substitution des Carbenrings mit Polymer-Einheiten. Dadurch wird die Abtrennung des toxischen Ir-NHC-Komplexes nach erfolgter Hyperpolarisation eines relevanten Substrates realisierbar.