Kompleks GdIII dengan q =1

13 Gambar 2. Struktur ligan-ligan pada kompleks GdIII yang memiliki harga q=1.

3.1. Kompleks GdIII dengan q =1

Mayoritas dari kompleks ini diturunkan dari jenis ligan DTPA dan DOTA; struktur dari ligan ini dapat dilihat pada Gambar 2 dan 3. 23 kompleks GdIII yang ditentukan dengan coordination scan, ditemukan mengikat 1 molekul air, hasilnya dapat dilihat pada Tabel 3. Mayoritas kompleks ini adalah koordinasi 8 berdasarkan denticity ligan; dengan pengikatan 1 molekul air akan menjadi koordinasi 9. 14 Gambar 3. Struktur ligan-ligan kompleks GdIII tambahan yang memiliki harga q=1. Tabel 3. Kompleks-kompleks GdIII dengan q=1. Seperti sudah dicatat sebelumnya, Kumar dan Tweedle menemukan bahwa ada korelasi yang baik antara energi regang ligan Ed,1 dengan ΔG + untuk 15 reorganisasi dari intermediet GdHL pada kasus poliaminomakrosiklik. Jika dipertimbangkan harga energetik reorganisasi kompleks dari solvasi lingkar dalam, koordinasi maksimum, sampai kompleks desolvasi lingkar dalam, koordinasi minimum, sebagai ukuran rigiditas ligan, orang akan mengharapkan untuk mencari hubungan antara coord E Δ dengan konstanta kestabilan termodinamik. Jika tetapan kestabilan termodinamik, log K diplotkan terhadap coord E Δ , diperoleh korelasi linier r 2 = 0,91. Plot ini Gambar 4 memperlihatkan dengan jelas bahwa hubungan antara kestabilan dengan coord E Δ tidak dipengaruhi oleh jenis ligan, linier atau makrosiklik. Karena coord E Δ meningkat, kestabilan termodinamik menurun, yang menyarankan bahwa tahap kunci pembentukan kompleks melibatkan suatu reorganisasi ligan selama perubahan bilangan koordinasi untuk Gd pada saat kompleks lengkap. Dengan demikian, jika ada suatu peningkatan rigiditas kompleks, maka akan terjadi penurunan coord E Δ , secara bersamaan meningkatkan kestabilan termodinamik. Gambar 4. Perajahan tetapan kestabilan termodinamika, log K, sebagai fungsi coord E Δ untuk kompleks Gd yang mengikat satu molekul air. ligan yang hanya mengandung gugus karboksilat, = ligan dengan satu gugus karboksilat yang diganti, =ligan dengan dua gugus karboksilat yang diganti. 16 Perbandingan ligan-ligan makrosiklik DOTA dan MCTA memperlihatkan dengan jelas hubungan antara coord E Δ dan log K. Penambahan satu gugus metil pada tulang punggung MCTA meningkatkan rigiditas ligan, menurunkan coord E Δ dan terjadi peningkatan kestabilan. Pengaruh ini dapat juga dilihat dengan dua jenis ligan EDTA yang ditemukan hanya mengikat satu molekul air. Ligan CPTA sangat rigid dengan cincin siklopentil bergabung dengan jembatan etilen, sedangkan cis-BDTA punya dua gugus metil pada tulang punggungnya memberikan rigiditas. Penelitian terbaru menyarakan bahwa faktor penting yang mempengaruhi relaksifitas proton kompleks lantanidaIII adalah kemampuan logam pusat untuk melewati dengan bilangan koordinasi 8 selama proses pertukaran air. Jika demikian, diharapkan untuk melihat hubungan antara coord E Δ dengan relaksifitas eksperimen; tidak ada korelasi seperti itu pada penelitian ini. Akan nampak bahwa pengaruh coord E Δ terhadap relaksifitas cukup kecil, dengan mudah dikalahkan oleh pengaruh tumbling rotasi yang bergantung pada bobot molekul. Seperti dapat dilihat pada Tabel 3, modifikasi atau kehilangan gugus karboksilat punya pengaruh yang signifikan pada kestabilan kompleks. Penggantian karboksilat dengan amida, DTPA-PA dan DOTA-PE menurukan tetapan kestabilan sebesar 10 2 –10 3 . Dengan cara yang sama penggantian gugus karboksilat dengan ester DTPA-PE menurunkan tetapan kestabilan 10 3 –10 4 . Penggantian karboksilat dengan nonligating group, seperti fenil dalam PhDTPA menurunkan kestabilan yang lebih besar 10 7 . Penggantian dua karboksilat dengan dua amida menurunkan tetapan kestabilan 10 2 –10 6 . Ligan-ligan tersebut dengan oksigen amida terkoordinasi dengan GdIII terlihat lebih rendah daripada kestabilan yang diharapkan. Penjelasan yang memuaskan untuk penelitian ini akan merupakan perbedaan kekuatan ikatan antara GdIII dengan oksigen amida, dibandingkan dengan oksigen karboksilat. Pada semua kompleks bisamida, dua interaksi yang kuat karboksilat–GdIII telah diganti dengan interaksi amida–GdIII yang lebih lemah dengan penuruan 17 kestabilan yang setaraf kira-kira 10 5 . Semua bisamida yang diperiksa memiliki tulang punggung DTPA yang tidak tersubstitusi, perubahan semuanya dalam gugus amida yang dihilangkan dari pusat logam, dengan demikian orang akan berharap substitusi-substitusi ini memainkan peranan yang kecil pada perubahan lingkungan sterik di sekitar pusat logam. Relaxifitas Seperti terlihat pada persamaan 2 dan 3, ada beberapa kemungkinan untuk meningkatkan relaktifitas. Satu metode adalah meningkatkan correlation time, τ c . Dari persamaan 4, τ c bergantung pada residence time, laju relaksasi elektron dan gerakan rotasi kompleks. Dari semua ini, dua faktor paling mudah dimodifikasi yaitu residence time dan gerakan rotasi. Gerakan rotasi secara mudah diubah dengan cara memodifikasi bobot molekul kompleks, yang paling umum adalah dengan merancang senyawa yang dikonjugasikan pada makromolekul. Gambar 5. Perajahan relatifitas lingkar-dalam sebagai fungsi bobot molekul kompleks tersolvasi: ligan yang hanya mengandung gugus karboksilat, =ligan dengan dua gugus amida. Residence time, τ m adalah ekivalen dengan 1k ex k ex adalah tetapan laju pertukaran dan berada pada orde 10 –6 –10 –9 detik. Sampai saat ini, laju pertukaran molekul air pada media pengontras berbasis GdIII, dianggap kira-kira sama dengan ion aqua Gd 3+ 8,3 ± 1,0 × 10 8 per detik. Pada deretan variabel suhu dan tekanan pada penelitian NMR, Merbach dkk., menemukan bahwa laju pertukaran air, k ex untuk kompleks Gd-DTPA dan –DOTA adalah dua orde lebih rendah 18 daripada GdDTPA k ex 4,1 ± 0.3 × 10 6 s -1 ; GdDOTA k ex 4,8 ± 0.4 × 10 6 s -1 . Jelas, adanya gugus aminokarboksilat mempengaruhi laju pertukaran dibandingkan dengan kompleks aqua. Pada studi yang lebih baru yang dilakukan oleh Mesbach ditemukan bahwa pertukaran air melalui mekanisme disosiatif dengan Gd-DTPA-BMA dan berspekulasi bahwa laju pertukaran dapat dikontrol oleh persyaratan sterik ligan pada sisi binding air. Aime dkk., menemukan hubungan antara bobot molekul dengan relaksifitas lingkar dalam R1. Untuk senyawa dengan ukuran dan massa yang sama dan oleh karenanya laju difusi, pada kekuatan medan magnet yang relatif tinggi, kontribusi R2 lingkar luar kira-kira akan sama. Twedle dkk., menunjukkan hal ini secara eksperimen untuk kompleks aminokarboksilat linier dan makrosiklik; pada 0,47 T dan 40 °C mereka menemukan R2 rata-rata 2,0 ± 0.3 mM.s –1 . Untuk kompleks dengan nilai q yang sama, berapapun perbedaan relaktifitas, akan disebabkan oleh perbedaan R1. Faktor utama yang mempengaruhi R1 dalam berbagai hal adalah nilai τR. Satu kekecualian teramati pada kompleks bis-amida; pada kasus ini τm nampaknya mempengaruhi relaktifitas. Seperti dapat dilihat pada Gambar 5, korelasi yang baik antara relaktifitas eksperimen R1 dengan bobot molekul kompleks tersolvasi. Pada hampir semua poliamino karboksilat, faktor utama yang menentukan τ c adalah τ s , τ m , dan τ R tercepat, dengan τ R biasanya merupakan yang tercepat. Aime dkk., meneliti ketergantungan laju relaksasi air terhadap medan magnet dari GdDTPA-BMA dan menemukan bahwa τ M kira-kira 4 kali lipat lebih lama daripada τ M GdDTPA. Kenaikan ini cukup untuk membuat kontribusi τM signifikan. Mereka kemudian mempostulasikan dua penjelasan yang mungkin dalam memperlama τ M ini. Pertama adanya jaringan tiga dimensi yang diperluas dari molekul-molekul air yang berikatan hidrogen antara gugus amida dan karboksilat. Alternatif lain adalah adanya gugus-gugus amida mempengaruhi muatan atom parsial pada Gd yang menghasilkan kenaikan τ M . Penelitian ini tidak mampu menentukan apakah kedua hipotesis ini benar atau salah meskipun kedua hipotesis ini dapat dipertanggung jawabkan untuk studi komputasi selanjutnya. 19 Tabel 4. Kompleks-kompleks GdIII dengan q=2.