ЯМР-спектроскопия определила хиральность наночастиц золота

Ученые из Университета Карнеги-Меллон (Роберто Р. Гил и Жунчао Джин) успешно применили ЯМР-спектроскопию для анализа структуры ультрамалых наночастиц золота. Этот подход может ускорить разработку и применение таких частиц в создании лекарств.

Ключевое преимущество метода — возможность определить, существуют ли наночастицы в правой и левой конфигурациях, то есть обладают ли они хиральностью. Это явление, когда объект не совмещается со своим зеркальным отражением. Определение хиральности — важный шаг для разработки хиральных катализаторов, крайне востребованных фармацевтической промышленностью. Результаты опубликованы в ACS Nano.

Зачем это нужно? Многие современные лекарства содержат хиральные молекулы. Часто эффективна только одна из зеркальных форм (изомеров), в то время как другая может быть бесполезной или даже вредной. Классический пример — талидомид: один изомер помогал от тошноты, а другой вызывал пороки развития у плода. Для создания более безопасных и эффективных препаратов необходимы методы получения только нужного изомера.

Объект исследования: Хуйфэн Цянь, аспирант в группе Джина, синтезировал наночастицу золота, способную катализировать реакции с образованием преимущественно одного изомера. Частица состоит из точно 38 атомов золота и имеет размер всего 1,4 нанометра. Для изучения структуры методом рентгеновской кристаллографии потребовался почти год кропотливой работы по выращиванию высококачественных кристаллов.

Проблема: Рентгеноструктурный анализ показал, что наночастица хиральна. Однако стандартный метод анализа хиральности — спектроскопия кругового дихроизма (CD) — не работает, если в смеси присутствует рацемат (равная 50/50 смесь правого и левого изомеров). Их спектры гасят друг друга, и общий оптический отклик равен нулю.

Решение с помощью ЯМР: ЯМР-спектроскопия использует явление, при котором ядра некоторых атомов в магнитном поле поглощают и излучают радиоволны на характерных частотах, что позволяет определять химическую структуру.

Ученые обнаружили, что хиральное ядро наночастицы золота влияет на два атома водорода в свободно вращающейся метиленовой группе (CH₂), заставляя их давать разные сигналы (частоты) в спектре ЯМР. Это явление известно как диастереотопность.

Результат: При сравнении ЯМР-спектров нехиральной и хиральной наночастиц золота было обнаружено:

• Для нехиральной частицы сигналы атомов водорода в метиленовой группе не различались.
• Для хиральной частицы спектр четко показал два разных сигнала от этих атомов водорода.

Это предоставляет простой и эффективный способ определить, является ли наночастица хиральной, даже для рацемической смеси (50/50).

Вывод: ЯМР — это альтернативный и эффективный метод, который может предоставлять информацию о строении наночастиц на атомном уровне и, в некоторых случаях, определять их хиральность. Это позволяет использовать ЯМР для оценки чистоты смеси наночастиц.

Текущая работа: Джин и Цянь теперь стремятся разделить свою 50/50 смесь изомеров, чтобы получить чистый раствор только правых или только левых наночастиц.