Synthesis, characterization and applications of persistent radical systems

Abstract

Durante las últimas décadas se han desarrollado muchas técnicas para estudios de estructura molecular. La Wspectroscopía Magnética Nuclear (NMS), en particular, es una técnica importante que ha alcanzado un uso generalizado para la identificación y caracterización de moléculas de interés en la química y la bioquímica. Además, la resonancia magnética (MRI) es uno de los mejores métodos clínicos no invasivos de formación de imágenes utilizados en la medicina aprovecha los principios de la NMS. Una de las principales limitaciones de la Resonancia Magnética Nuclear (RMN) es su intrínseca baja sensibilidad. La señal de RMN es proporcional a la polarización nuclear, P, que se rige por la distribución de Boltzmann de spines nucleares. Para superar esta limitación intrínseca han aparecido en las últimas décadas algunas mejoras instrumentales, como el desarrollo de sondas criogénicamente enfriados y la disponibilidad de mayores campos magnéticos mediante nuevos imanes superconductores. Además, varios métodos para mejorar la polarización nuclear también se han desarrollado y están en constante expansión. Entre ellos, los más extendidos son los de bombeo óptico, la polarización para-hidrógeno inducida (PHIP) y la polarización nuclear dinámica (DNP). Todos estos métodos se basan en la hiperpolarización, el cual es un término general que describe un sistema en el que la distribución de las poblaciones ha sido perturbado para crear un exceso de poblaciones en un nivel energético, aumentando así la magnetización neta del sistema. La Polarización Dinámica Nuclear (DNP) ha surgido como uno de los métodos más generales de hiperpolarización nuclear. DNP es una técnica que requiere la presencia en la muestra de un compuesto paramagnético, un agente vitrificante y el analito, el objetivo de la polarización. En esta Tesis hemos desarrollado varios compuestos paramagnéticos nuevos basados en radicales orgánicos persistentes que abarcan desde monoradicals de tres familias diferentes (TEMPO, BDPA y PTM) a birradicales que combinan dichos monoradicals. En la presente Tesis se ha sintetizado y caracterizado varios monoradicals de tres familias de compuestos (PTM, BDPA y TEMPO). La posible aplicación de los derivados de tres BDPA como agentes de polarización ha sido explorada. Los resultados obtenidos para dos de ellos son prometedores, ya que mejoran las condiciones de preparación de la muestra con respecto al BDPA no funcionalizado, reduciendo el tiempo necesario para llevar a cabo el experimento de polarización y se ha abierto la posibilidad de ser eliminadas durante el proceso de transferencia a fin de evitar una mayor pérdida de polarización. Recientemente se ha propuesto que birradicales mixtos a base de radicales tritilo y radicales nitróxido son potencialmente los mejores candidatos para la obtención de las mejores polarizaciones en DNP. Bajo la luz de estos estudios, se realizó la síntesis y caracterización de birradicales, no sólo los que unen tritilo y nitróxido sino tambien aquellos que unen radicales de la misma familia o de familias centrados en carbono. La posible aplicación de algunos de ellos como agentes polarizadores se pusieron a prueba oobteniendo buenos resultados para alguno de ellos. Otra metodología para obtener núcleos hiperpolarizados de baja constante giromagnética es el uso de Magic Angle Spinning-Dynamic Nuclear Polarizacion (MAS-DNP). En esta técnica, el compuesto hiperpolarizado por lo general son los átomos de hidrógeno del agua que transfieren su polarización a los núcleos de baja constante giromagnética por la doble resonancia realizada por la Cross-Polarization. Los compuestos paramagnéticos que se utilizan para polarizar núcleos de hidrógeno en general son birradicales TEMPO. Como hemos sintetizado un monorradical de TEMPO, se realizó la síntesis y caracterización de tres birradicales TEMPO (TEMPO=TEMPO, TEMPOesterTEMPO y TEMPOamidoTEMPO) y se llevaron a cabo las pruebas de polarización de agua en el laboratorio del Dr. Bodenhausen (Suiza). Las mejoras obtenidos indicaron que los birradicales con mayores acoplamientos genera niveles de polarización inferiores y con ellos mejora inferior. En general, MRI se limita a sistemas con una gran magnetización neta, tal como la proporcionada por el agua en los tejidos. Obtención de imágenes de otros núcleos es posible, pero difícil. Estas deficiencias son el resultado tanto de las relaciones giromagnéticas y abundancias naturales de los otros núcleos activos. Más específicamente, los protones tienen una relación giromagnética relativamente alta en comparación con otros núcleos. La relación giromagnética controla la diferencia en los niveles de energía del sistema, cuanto más grande es la diferencia de energía, mayor es la polarización que se obtiene debido a la distribución de Boltzmann. Otros núcleos tales como carbono, nitrógeno o fósforo tienen relaciones giromagnéticas más pequeñas, tienen menor diferencia de nivel de energía y por tanto más pequeñas polarizaciones netas. Si bien son posibles aplicaciones espectroscópicas de núcleos distintos de protones utilizando NMR, es casi imposible de formación de imágenes de los otros núcleos (especialmente in vivo). La baja sensibilidad de la RM de núcleos con constantes giromagnéticas bajas puede mejorarse mediante técnicas de hiperpolarización. Por otra parte, las mejoras en las imágenes de agua, aparte de las diferencias en el contenido de agua local de diferentes tejidos que genera un contraste intrínseco, el contraste básico en las imágenes de RM se debe principalmente a las diferencias en los tiempos de relajación T1 y T2, cada de los cuales se puede independientemente dominar contraste de la imagen. Sin embargo, el contraste intrínseco proporcionado por los tiempos T1 y T2 del y los cambios en sus valores introducidos por patologías del tejido son a menudo demasiado limitadas para permitir un diagnóstico sensible y específico. Por esa razón, se hace uso de agentes de contraste para MRI que alteran el contraste de la imagen después de su administración. El grado y la localización de los cambios de contraste proporcionan información de diagnóstico importantes. Ciertos agentes de contraste se utilizan predominantemente para acortar el tiempo de relajación T1 y éstos se basan principalmente en quelatos de bajo peso molecular de iones de gadolinio Gd3+. La investigación en agentes de contraste con radicales orgánicos ofrecería una alternativa a los medios de contraste basados en gadolinio altamente tóxicos. Sin embargo, la intrínsecamente baja capacidad de relajación paramagnética de nitróxidos (en parte debido a su bajo espín de 1/2) ha impedido su aplicación generalizada como un agente de contraste de MRI. El reto en el desarrollo de nuevos agentes de contraste para MRI es el diseño y la síntesis de compuestos paramagnéticos de tamaño molecular moderado que poseen una larga vida media in vivo, de alta solubilidad en agua y de alta relaxividades de 1H. El uso de dendrímeros hace posible mejorar la solubilidad en agua mediante la adición de grupos polares de superficie y aumentar el spin total por la interacción entre ellos en la superficie del dendrímero. Los dendrímeros introducen en el sistema de los agente de contraste la posibilidad de cambiar el tamaño de la molécula, siempre y cuando usamos generaciones diferentes, proporcionando una bio-específica distribución por tamaño. De esa manera, (pequeños tamaños) compuestos de bajo peso molecular se eliminan rápidamente por los riñones. Por otro lado, las moléculas más grandes de peso molecular (grandes tamaños) presentan una baja permeabilidad a través de la pared vascular y permanecen en los vasos sanguíneos durante largo tiempo. En este sentido los dendrímeros radicales son unas moléculas versátiles que permiten controlar el tamaño final del agente de contraste para garantizar la bio-distribución deseada, el control de los tiempos de vida y de la excreción. Por lo tanto, hemos sintetizado y caracterizado una serie de dendrímeros radicales. La solubilidad en agua se probó con el propósito de estudiar su comportamiento como agentes de contraste en los medios acuosos. Sólo Gc0amidoTEMPO, PROXYLLys (GCX) OLi y PROXYL-Tyr (GCX) OLi, eran solubles en agua; por lo que la medición de las capacidades de relajación de agua se realizaron sólo para ellos. Los resultados obtenidos para los dendrímeros Tirosina mostraron un efecto dendrítico en las capacidades de relajación que abre la puerta de esta familia de compuestos como un prometedor agentes de contraste sin metal.

During the last decades many techniques for molecular structure studies have been developed. Nuclear Magnetic Spectroscopy (NMS), in particular, is an important technique that has achieved a widespread use for the identification and characterization of molecules of interest in chemistry and biochemistry. Moreover, magnetic resonance imaging (MRI) is one of the best non invasive clinical imaging methods used in medicine which takes benefit of the NMS principles. One of the main limitations of Nuclear Magnetic Resonance (NMR) is its intrinsic low sensitivity. NMR signal is proportional to nuclear polarization, P, which is governed by the Boltzmann distribution of nuclear spins. In order to overcome this intrinsic limitation some instrumental improvements have appeared in the last few decades as the development of cryogenically cooled probes and the availability of higher magnetic field superconducting magnets. Additionally, several methods to enhance the nuclear polarization have been also developed and are in constant expansion. Among them, the most extended ones are optical pumping, para-hydrogen induced polarization (PHIP) and dynamic nuclear polarization (DNP). All these methods are based on hyperpolarization, that is a general term that describes a system in which the distribution of populations has been disturbed to create an excess of populations in one energetic level, thus boosting the net magnetization of the system. Dynamic nuclear polarization (DNP) has emerged as one of the most general methods for nuclear hyperpolarization. DNP is a technique that requires the presence in the sample of a paramagnetic compound, a glassing agent and the analyte, the target of polarization. In this Thesis we have developed several new paramagnetic compounds based on organic persistent radicals covering from monoradicals of three different families (TEMPO, BDPA and PTM) to biradicals combining such monoradicals. In the present Thesis we have been synthesized and characterized several monoradicals of three families of compounds (PTM, BDPA and TEMPO). The possible application of three BDPA derivatives as polarizing agents has been explored. The results obtained for two of them are promising as they improve the sample preparation conditions with respect the non functionalized BDPA, reducing the time necessary to perform the DNP experiment and open the possibility to be eliminated during the transference process in order to avoid a further loss of polarization. It has recently been proposed that mixed biradicals based on trityl radicals and nitroxide radicals are potentially the best biradical candidates for attaining the maximal DNP enhancements. Under the light of these studies, we performed the synthesis and characterization of a few biradicals, not only those that joins trityl and nitroxide but other that mix carbon centered radicals of the same family or the different family too. The possible application of some of them as a polarizing agents were tested obtaining good results for a some of them. Another methodology to obtain hyperpolarized nuclei of low gyromagnetic constant is the use of Magic Angle Spinning-Dynamic Nuclear Polarization (MAS-DNP). In this technique, the hyperpolarized compound usually are the hydrogen atoms of water that transfer their polarization to low gyromagnetic nuclei by the double resonance performed by the Cross Polarization. The paramagnetic compounds that are used to polarize hydrogen nuclei in general are TEMPO biradicals. As we synthesized a monoradical of TEMPO, we performed the synthesis and characterization of three TEMPO biradicals (TEMPO=TEMPO, TEMPOesterTEMPO and TEMPOamidoTEMPO),the water enhancements tests were performed in Dr. Bodenhausen laboratory (Switzerland). The enhancements obtained indicated that the biradicals with greater couplings generates lower polarization levels and with them lower enhancement. In general, MRI is limited to systems with a large bulk magnetization, such as that provided by water in tissues. Imaging of other nuclei is possible, but challenging. These shortcomings are the result of both the gyromagnetic ratios and natural abundances of the other active nuclei. More specifically, protons have a relatively high gyromagnetic ratio compared to other nuclei. The gyromagnetic ratio controls the difference in the energy levels of the system, and the larger the energy difference, the larger the polarization is obtained because of the Boltzmann distribution. Since other nuclei such as carbon, nitrogen or phosphorus have smaller gyromagnetic ratios, they have smaller energy level differences and thus smaller net polarizations. While spectroscopic applications of nuclei other than protons using NMR are possible, imaging of the other nuclei (especially in vivo) is nearly impossible. The low sensibility of MRI of low gyromagnetic constant nuclei can be improved by hyperpolarization techniques. On the other hand, the improvements on water imaging, apart from differences in the local water content of different tissues which generates an intrinsic contrast, the basic contrast in the MR images mainly results from regional differences in the intrinsic relaxation times T1 and T2, each of which can be independently chosen to dominate image contrast. However, the intrinsic contrast provided by the water T1 and T2 and changes in their values brought about by tissue pathology are often too limited to enable a sensitive and specific diagnosis. For that reason, increasing use is made of MRI contrast agents that alter the image contrast following their administration. The degree and location of the contrast changes provide substantial diagnostic information. Certain contrast agents are predominantly used to shorten the T1 relaxation time and these are mainly based on low-molecular weight chelates of gadolinium ion Gd3+. The research in organic radical contrast agents would provide an alternative to highly toxic gadolinium-based contrast agents. However, the intrinsically low paramagnetic relaxivity of nitroxides (in part due to their low spin of 1/2) has prevented their widespread application as a MRI contrast agent. The challenge in the development of new contrast agents for MRI is the design and synthesis of paramagnetic compounds of moderate molecular size that possess long in vivo lifetimes, high water solubility and high 1H water relaxivities. The use of dendrimers makes possible to enhance water solubility by addition of surface polar groups and increase the total spin by the interaction among them on the dendrimer surface. Dendrimers introduce to the contrast agent system the possibility to change the molecule size, as long as we use different generations, providing specific size-bio distribution. In that way, low molecular weight (small sizes) compounds are quickly eliminated by kidneys. On the other hand, larger molecular weight molecules (big sizes) present low permeability through the vascular wall and remain in blood vessels for long time. In this sense radical dendrimers are a versatile molecules that allow control the final size of the contrast agent to ensure the desired bio distribution, controlling the lifetimes and excretion. Thus, we have synthesized and characterized a series of radical dendrimers. The water solubility was tested with the purpose of studying their behavior as a contrast agents in water media. Only Gc0amidoTEMPO, PROXYLLys(Gcx)OLi and PROXYL-Tyr(Gcx)OLi, were water soluble; so the measurement of the water relaxivities were performed only for them. The obtained results for tyrosine dendrimers showed a dendritic effect on the relaxivities which opens the door of this family of compounds as a promising metal-free contrast agents.