IrTMes——一种用于[1-13C]丙酮酸超极化(polarization)的稳定SABRE催化剂

《Analyst》：IrTMes – a stable SABRE catalyst for the hyperpolarization of [1-13C]-pyruvate

　　

通过可逆交换信号放大（Signal Amplification by Reversible Exchange, SABRE）技术可催化仲氢（para-hydrogen）与底物短暂配位，并将自旋序（spin order）从para-hydrogen转移至底物，从而增强核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）信号。因其生物医学相关性，[1-13C]-丙酮酸是重要的目标底物。在丙酮-水混合体系（Ace-SABRE）中对[1-13C]-丙酮酸进行超极化，因溶剂更易去除而提高了超极化[1-13C]-丙酮酸的生物相容性，但该溶剂体系会导致催化剂快速失活，需频繁更换样品。本研究报道了一种更具资源效率的Ace-SABRE催化剂IrTMes，其铱中心由1,4-二均三甲基苯基-3-甲基-1,2,3-三唑-5-亚基（1,4-dimesityl-3-methyl-1,2,3-triazol-5-ylidene）配位。在5.17 bar para-hydrogen压力下，室温下IrTMes催化剂在Ace-SABRE条件下的功能持续时间比IrIMes长17倍，暴露于空气下时长4倍。IrTMes增强的稳定性使SABRE实验可重复、多次进行。在1.45 T、50% para-hydrogen富集度下，IrTMes获得约5000倍的信号增强（signal enhancement），对应极化度（polarization level）0.62%，按100% para-hydrogen外推约为1.9%；相同条件下基准催化剂IrIMes可达1.26%（外推约3.8%）。IrTMes在20 °C达到最大SABRE增强效果，避免了[1-13C]-丙酮酸SABRE超极化中通常需要的繁琐降温操作。

论文解读：IrTMes——一种用于[1-¹³C]-丙酮酸超极化的稳定SABRE催化剂（Ace-SABRE体系中的应用研究）

本文发表于《Analyst》。

一、研究背景与目的

核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance, NMR）技术受限于热平衡下核自旋态极小的布居差导致的低灵敏度，超极化（hyperpolarization）技术可克服此限制。基于para-hydrogen的技术包括PHIP（para-Hydrogen Induced Polarization，仲氢诱导极化）及侧臂加氢PHIP-SAH，以及SABRE（Signal Amplification by Reversible Exchange，可逆交换信号放大）。SABRE无需化学修饰底物即可实现超极化，依靠铱基催化剂介导para-hydrogen与靶分子短暂配位并在合适极化转移磁场下通过催化剂自旋-自旋网络实现自旋序转移，其中SABRE-SHEATH（SABRE in SHield Enables Alignment Transfer to Heteronuclei）用于在微特斯拉场下对[1-¹³C]-丙酮酸等异核进行超极化。丙酮酸是代谢标志物，动态核极化（Dynamic Nuclear Polarization, DNP）超极化[1-¹³C]-丙酮酸已用于临床代谢成像，但SABRE若欲成为DNP替代方案需产生生物相容性可注射溶液。常用SABRE溶剂甲醇毒性大且难完全去除，全水相兼容催化剂效率低且未证实可用于丙酮酸超极化，因此Ace-SABRE（丙酮-水80/20 v/v体系）被提出以兼顾生物相容性与溶解度。然而Ace-SABRE中标准催化剂IrIMes（IMes = 1,3-双(2,4,6-三甲基苯基)咪唑-2-亚基，1,3-bis(2,4,6-trimethylphenyl)imidazol-2-ylidene）会快速失活，限制重复测量与催化剂循环使用。本研究旨在设计合成一种基于1,2,3-三唑-5-亚基介离子卡宾（mesoionic carbene, MIC）配体的新型铱催化剂IrTMes（TMes = 1,4-二均三甲基苯基-1,2,3-三唑-5-亚基，1,4-bis(2,4,6-trimethylphenyl)-1,2,3-triazol-5-ylidene），在保持N-取代基不变的前提下改变氮杂环卡宾骨架以增强稳定性与σ-给电子能力，评估其在Ace-SABRE体系中对[1-¹³C]-丙酮酸的超极化性能、温度依赖性、极化转移场及催化剂失活速率。

二、主要关键技术方法

研究人员采用铜催化叠氮-炔环加成（CuAAC）合成1,4-二均三甲基苯基-1,2,3-三唑，经N-3-甲基化得三唑鎓盐后用叔丁醇钾脱质子原位生成三唑-5-亚基并与[Ir(COD)Cl]₂配位制得固态稳定预催化剂IrTMes。SABRE-SHEATH超极化实验在80/20丙酮/水溶液中进行，含6 mM预催化剂、30 mM [1-¹³C]-丙酮酸钠及20 mM DMSO（二甲基亚砜）作为共底物，通50%富集para-hydrogen（5.17 bar）于磁屏蔽腔内?0.5 μT极化转移场鼓泡60 s活化并极化，自动穿梭至1.45 T台式NMR检测¹³C信号。通过时序监测同一样品在para-hydrogen气氛及暴露于大气条件下的¹³C信号衰减拟合单指数衰减函数获取失活速率常数T_D；变温实验确定最佳极化温度；扫描极化转移磁场（?1至+1 μT，步长0.1 μT）确定最佳转移场；改变鼓泡时间及检测前等待时间分别拟合极化建立时间T_B与弛豫时间T_R（纵向弛豫时间T₁在超极化语境下记为T_R）。对照均为市售IrIMes催化剂相同条件平行实验。

三、研究结果

2.1 Catalyst design and synthesis（催化剂设计与合成）

研究人员保持N-取代基为均三甲基苯基（mesityl），将N-杂环卡宾（N-heterocyclic carbene, NHC）骨架改为1,2,3-三唑-5-亚基介离子卡宾（MIC），经CuAAC、甲基三氟甲磺酸酯N-甲基化、碱解脱质子及与[Ir(COD)Cl]₂配位，数步合成得到 bench-stable 预催化剂IrTMes（化合物3）。该MIC配体相较经典NHC具更强σ-给电子能力与较弱π-受电子能力。

2.2 SABRE experiments（SABRE超极化实验）

预催化剂在含para-hydrogen、[1-¹³C]-丙酮酸及DMSO的Ace-SABRE溶液中活化形成活性IrTMes物种，用于SABRE-SHEATH超极化。

2.2.1 Catalyst stability（催化剂稳定性）

研究人员监测同一样品初始活化后每隔17分钟首小时、随后每小时共6小时的归一化¹³C信号强度并拟合单指数衰减。在para-hydrogen气氛下，IrIMes失活时间常数T_D,IrIMes=2.16 h，IrTMes为T_D,IrTMes=37.76 h，IrTMes功能持续时间延长约17倍。暴露于大气（每次测后泄压开管再充para-hydrogen）条件下，T_D,IrIMes=1.86 h，T_D,IrTMes=7.36 h，IrTMes稳定性提升约4倍。IrIMes颜色由浅黄变紫棕提示降解（如双核桥联二聚化），IrTMes数日无变色。研究人员认为TMes配体更强σ-给电子性稳定金属中心配位不饱和态抑制双金属分解产物生成，但也使其对O₂氧化加成更敏感，故空气中失活加速。

2.2.2 Temperature（温度依赖性）

研究人员在15 sccm para-hydrogen流速、5.17 bar下变温（?10 °C至40 °C，步长5 °C）测定自由与配位[1-¹³C]-丙酮酸¹³C信号。IrTMes在高于?5 °C几乎只观测到自由丙酮酸，最大超极化信号出现在20 °C（室温），无需额外控温；IrIMes最佳温度为5–10 °C。优化条件（6.89 bar，108 sccm）下IrTMes室温获信号增强ε≈5000（极化度P=0.62%，外推100% para-H₂为~1.9%），IrIMes同条件下ε≈10000（P=1.26%，外推~3.8%）。IrTMes强σ-给电子促进配体解离提高交换速率，使室温即为最佳。

2.2.3 Polarization transfer field（极化转移磁场）

研究人员扫描转移场?1 μT至+1 μT（步长0.1 μT）。IrTMes最大信号增强位于?0.5 μT，IrIMes位于?0.7 μT。偏移归因于两催化剂金属中心电子密度差异导致零量子/双量子跃迁裂距不同。正转移场因穿越零场时地球磁场z分量取向致信号略低。

2.2.4 Polarization buildup and relaxation（极化建立与弛豫）

研究人员改变para-hydrogen鼓泡时间拟合有限指数增长曲线，IrTMes极化建立时间T_B=35 s，IrIMes为36 s，二者相近。改变检测前延迟拟合单指数衰减得IrTMes弛豫时间T_R=69 s，IrIMes T_R=61 s，Ace-SABRE中丙酮酸T₁较甲醇体系短约1.5倍。

四、结论总结（翻译Conclusions部分浓缩）

研究人员开发了基于1,2,3-三唑-5-亚基介离子卡宾配体的新型SABRE催化剂IrTMes，合成简便，室温即达最佳性能且在Ace-SABRE溶剂中显著更稳定。IrTMes是首个实现[1-¹³C]-丙酮酸SABRE超极化的三唑亚基类MIC催化剂。室温（20 °C）下50% para-hydrogen获极化度0.62%（外推100% para-H₂约1.9%），虽低于IrIMes（1.26%，外推3.8%）且无法通过降温进一步提高，但免除了冷却装置。固态及在丙酮/水溶液中长期稳定；活化后在para-H₂下失活时间常数为IrIMes的17倍（37.76 h vs 2.16 h），空气中为4倍（7.36 h vs 1.86 h），6小时后仍保持>85%初始活性。高稳定性简化样品处理、免除惰性气氛操作、允许同一样品多次重复测量，推进Ace-SABRE资源效率与可重复性，并为后续通过点击化学反应修饰三唑骨架开发水溶性高稳定性SABRE催化剂提供基础。