TN杂化双自由基的分子手性构型对交换相互作用和DNP性能的影响

注：文末有研究团队简介 及本文作者科研思路分析

蛋白质是生命的物质基础，是生命活动的主要承担者。蛋白质动力学性质的研究是解析蛋白质构效关系及其功能的前提和基础。目前，魔角旋转固体核磁共振（Magic Angle Spinning Solid-State Nuclear Magnetic Resonance, MAS-ssNMR）技术是膜蛋白质结构与动力学研究的有力手段。遗憾的是，MAS-ssNMR的低灵敏性制约了其应用。所幸的是，动态核极化（DNP）技术可有效增强MAS-ssNMR的灵敏性，理论上对¹H NMR信号的增强可达658倍，对¹³C NMR的信号增强达2600倍。极化试剂的研发是高场DNP技术发展的关键所在。近期的研究结果证实，由三苯甲基自由基（trityl）和氮氧自由基（nitroxide）构成的TN杂化双自由基[trityl-nitroxide (TN) biradicals]是高场DNP领域最具潜质的一类极化剂。然而，现有TN杂化双自由基的DNP增强（< 65倍）效果与其理论值仍相差甚远，人们对其也知之甚少。因此，如何从理论和实验上揭示TN杂化双自由基的分子属性与其DNP增强的关系对开发高性能的极化试剂具有重要作用，对拓展高场MAS-ssNMR技术在结构生物学与材料学等领域的应用也将具有深远意义。

天津医科大学药学院的刘阳平教授（点击查看介绍）和宋玉光副教授（点击查看介绍）课题组一直致力于DNP试剂的开发和应用研究，曾与美国麻省理工学院的Robert G. Griffin教授课题组合作，率先研究了一类TN双自由基的高场DNP-ssNMR（527GHz/800 MHz）性质，得到了目前在该系统中性能最好的极化剂TEMTriPol-1（也称为CT02-GT），并阐明了该类极化剂的优越性能与其无“核去极化”效应密切相关。该研究成果分别发表于Angew. Chem. Int. Ed.（Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 11770）和Chemical Science (Chem. Sci., 2017, 8, 8150)。近日，刘教授课题组在英国皇家化学会旗舰期刊Chemical Science 上以封面文章的形式报道了TN杂化双自由基的分子手性构型对交换相互作用（exchange interaction, J）和DNP性能的影响，首次揭示了双自由基的分子手性构型是决定J 值和DNP性能的关键因素之一，并考察了温度和溶剂的影响，且从实验上再次印证了过强的交换相互作用不利于DNP增强的结论，为高场DNP增强的ssNMR理论研究及DNP试剂的研发提供了新思路。文章的第一作者是天津医科大学的博士研究生翟炜翔。

该论文作者为：Weixiang Zhai, Yalan Feng, Huiqiang Liu, Antal Rockenbauer, Deni Mance, Shaoyong Li, Yuguang Song, Marc Baldus and Yangping Liu

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Diastereoisomers of L-proline-linked trityl-nitroxide biradicals: synthesis and effect of chiral configurations on exchange interactions

Chem. Sci., 2018, 9, 4381, DOI: 10.1039/c8sc00969d

刘阳平博士简介

刘阳平，天津医科大学药学院教授，2006年于中国科学院化学研究所取得博士学位，2006年至2013年在美国俄亥俄州立大学戴维斯心肺研究所工作，2013年7月起就职于天津医科大学。研究领域涉及稳定（双）自由基的研发及其磁共振应用的研究、氧化还原态的精准检测与氧化还原导向的药物研发；近五年以通讯/第一作者的身份在J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Sci.、Chem. Eur. J.等杂志上发表20余篇SCI论文，其中近期发表的Chem. Sci.和Chem. Eur. J.均为封面文章。

刘阳平

http://www.x-mol.com/university/faculty/49773

宋玉光

http://www.x-mol.com/university/faculty/49774

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们课题组的研究兴趣是高场极化剂的研发及其在MAS-ssNMR中的应用研究。需要强调的是，核磁共振技术作为一项结构分析技术已广泛应用到生物学、化学和材料学，尤其是固体核磁技术在膜蛋白结构解析方面具有独到之处。但固体核磁的低灵敏性限制了其发展。动态核极化（DNP）技术可有效提高核磁共振的灵敏性，而其增幅效果与极化剂的性能密切相关。作为目前高场DNP性能最好的TN双自由基，其交换相互作用是影响DNP性能的重要参数。我们以手性氨基酸作为连接链合成了双自由基TNT_1,2和TNL_1,2并分离得到四个非对映异构体，通过一系列实验研究了手性构型对双自由基交换相互作用的影响，并系统研究了其溶剂及温度效应，同时阐明了双自由基的交换相互作用与其DNP性能的内在联系，为高性能极化剂的研发提供了指导性的意见。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：该研究中最大的挑战是如何合成及纯化得到双自由基的四个非对映异构体以及通过计算机模拟获得最准确的磁共振参数。在这个过程中，我们团队在极化剂研发方面的经验积累以及国际合作者的支持起了至关重要的作用。

此外，这项研究属于交叉学科的研究，其中需要不少物理背景的知识，而我们的团队主要来源于化学专业，因此在物理方面存在知识储备不足的挑战，未来希望有相关领域的研究者一起合作，将研究推动到更高的层次。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：该研究结果表明手性构型对双自由基交换相互作用的影响显著，进而对DNP性质产生了重要影响，故可指导后续的极化剂研发工作，实现核磁共振灵敏性的大幅度提升，为推动结构生物学及材料科学的发展贡献力量。同时，该研究也对双自由基类探针的开发具有重要的意义。我们相信这项研究成果对双自由基间交换相互作用的研究、高场极化剂的研发以及增强核磁共振灵敏度方面均具有一定的指导意义，有望大力推动相关领域的发展。