Sensitivity enhancement in NMR by using parahydrogen induced polarization

Enhancing the sensitivity of nuclear magnetic resonance measurements via hyperpolarization techniques like parahydrogen induced polarization (PHIP) is of high interest for spectroscopic investigations. Parahydrogen induced polarization is a chemical method, which makes use of the correlation between nuclear spins in parahydrogen to create hyperpolarized molecules. The key feature of this technique is the pairwise and simultaneous transfer of the two hydrogen atoms of parahydrogen to a double or triple bond resulting in a population of the Zeeman energy levels different from the Boltzmann equation. The obtained hyperpolarization results in antiphase peaks in the NMR spectrum with high intensities. Due to these strong NMR signals, this method finds arnlot of applications in chemistry e.g. the characterization of short-lived reaction intermediates. Also in medicine it opens up the possibility to boost the sensitivity of medical diagnostics via magnetic labeling of active contrast agents. Thus, further examination and optimization of the PHIP technique is of significant importance in order to achieve the highest possible sensitivity gain.rnrnIn this work, different aspects concerning PHIP were studied with respect to its chemical and spectroscopic background. The first part of this work mainly focused on optimizing the PHIP technique by investigating different catalyst systems and developing new setups for the parahydrogenation. Further examinations facilitated the transfer of the generated polarization from the protons to heteronuclei like 13C. The second part of this thesis examined the possibility to transfer these results to different biologically active compounds to enable their later application in medical diagnostics. Onerngroup of interesting substances is represented by metabolites or neurotransmitters in mammalian cells. Other interesting substances are clinically relevant drugs like a barbituric acid derivative or antidepressant drugs like citalopram which were investigated with regard to their applicability for the PHIP technique and the possibility to achievernpolarization transfer to 13C nuclei. The last investigated substrate is a polymerizable monomer whose polymer was used as a blood plasma expander for trauma victims after the first half of the 20th century. In this case, the utility of the monomer for the PHIP technique as a basis for later investigations of a polymerization reaction using hyperpolarized monomers was examined.rnrnHence, this thesis covers the optimization of the PHIP technology, hereby combining different fields of research like chemical and spectroscopical aspects, and transfers the results to applications of real biologally acitve compounds.

Im Vergleich zu anderen spektroskopischen Methoden handelt es sich bei der magnetischen Kernspinresonanz um eine relativ unempfindliche Messmethode; daher sind verschiedene Verfahren zur Empfindlichkeitssteigerung Gegenstand der aktuellen Forschung. Die so genannte Parahydrogen Induced Polarization (PHIP) hat sich als eine vielseitige Technik zur chemischen Darstellung von hyperpolarisierten Molekülen entwickelt und nutzt den Symmetriebruch des Parawasserstoffs während einer homogen katalysierten Hydrierung einer ungesättigten Verbindung. Dieses Phänomen führt zu Absorptions- und Emissionssignalen im NMR-Spektrum mit außerordentlich hohen Intensitäten. Basierend auf den verstärkten NMR Signalen findet die Methode zahlreiche Anwendungen in der Chemie wie z. B. bei der Charakterisierung kurzlebigerrnReaktionsintermediate. In der Medizin eröffnet sie die Möglichkeit die Sensitivität der medizinischen Diagnostik durch magnetisches markieren aktiver Konstrastmittel drastisch zu erhöhen. Aus diesem Grund sind weiterführende Untersuchungen und Optimierungen der PHIP Technik von großem Interesse.rnrnIn dieser Arbeit wurden unterschiedliche Aspekte der PHIP Methode in Hinblick auf ihre chemische und spektroskopische Weiterentwicklung erforscht. Der erste Teil der Arbeit basiert auf der Optimierung der Methode an Modellsubstanzen durch die Erprobung verschiedener Katalysatorsysteme und die Entwicklung neuer Techniken für die Hydrierung. Weitere Untersuchungen dienten der Verbesserung des Polarisationstransfers von Protonen zu Heterokernen wie 13C. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Übertragung der erzielten Ergebnisse auf biologisch aktive Substanzen, um ihre spätere Anwendung in der medizinischen Diagnostik zu ermöglichen. Eine Zielgruppe stellten hierbei Metabolite und Neurotransmitter in Säugetierzellen dar, während eine weitere Gruppe klinisch relevante Medikamente repräsentierte. Diese physiologisch relevanten Verbindungen wurden hinsichtlich ihrer Verwendung in derrnPHIP Technik und der Durchfühurng des Polarisationstransfers zu Heterokernen untersucht. Das zuletzt betrachtete Substrat stellt ein polymerisierbares Monomer dar, dessen Polymer in der zweiten Hälfte des 20sten Jahrunderts als Blutplasmaersatz Verwendung fand. In diesem Fall wurde die Brauchbarkeit des Monomers für die PHIP Methode erforscht, die als Basis für die spätere zeitaufgelöste Beoachtung einer Polymerisation mittels eines hyperpolarisierten Monomers dienen soll. rnrnZusammenfassend behandelt diese Arbeit die Optimierung der PHIP Technologie mittels Kombination verschiedener Forschungsbereiche und überträgt die erzielten Ergebnisse auf biologisch aktive Substanzen, die in der Medizin angewendet werden können.