pH-Responsive Magnetism of Iron(II) Complexes in Solution and Under Small Confinement as Basis for Smart Contrast Agents

Titelangaben

Nowak, René:
pH-Responsive Magnetism of Iron(II) Complexes in Solution and Under Small Confinement as Basis for Smart Contrast Agents.
Bayreuth , 2017 . - IX, 201 S.
( Dissertation, 2017 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Im ersten Teil dieser Arbeit wurde eine Serie von homoleptischen Eisen(II)-Komplexen, aus zwölf verschiedenen zwei- und dreizähnigen Liganden, synthetisiert und im Hinblick auf das Auftreten eines pH-responsiven Magnetismus untersucht. Die fünf, bei Raumtemperatur diamagnetischen und aprotischen Eisen(II)-Komplexe [Fe(Bpy)3]2+, [Fe(44mBpy)3]2+, [Fe(55mBpy)3]2+, [Fe(4mBpy)3]2+ und [Fe(5mBpy)3]2+ zeigen in Lösung die notwendige Langzeitstabilität als auch einen pH-responsiven Magnetismus. Die korrespondierenden Chloride wurden im festen Zustand mittels Magnetmessungen, Mössbauerspektroskopie, Pulverdiffraktometrie, Thermogravimetrie und Röntgen-Einkristallstrukturanalyse analysiert. Alle fünf Systeme zeigen einen Wechsel des Spinzustands oberhalb von Raumtemperatur, ausgelöst durch den Verlust von Lösungsmittelmolekülen im Kristallgitter. Lösungen der Komplexe wurden sowohl mittels 1H-NMR- und UV-Vis-Spektroskopie bei unterschiedlichen pH-Werten detailliert untersucht, als auch mittels Magnetmessungen, um deren Eignung als intelligentes Kontrastmittel, basierend auf einer pH-responsiven paramagnetischen Ver-stärkung der Relaxation zu untersuchen. Es konnte demonstriert werden, dass die low-spin (LS) Komplexe in Abhängigkeit des pH-Wertes, der Temperatur und der Konzentration, reversibel in den high-spin (HS) Zustand überführt werden können. Einleitend wird zuerst der diamagnetische Komplex [Fe(L)3]2+ (L = 2,2‘-Bipyridin oder seine Derivate) protoniert, was zu einer diamagnetischen, sechsfach koordinierten Spezies [Fe(L)2(LH)]3+ führt, bei welcher LH+ immer noch ein zweizähniger Ligand ist. Die diamagnetische Spezies befindet sich in einem temperaturabhängigen Gleichgewicht mit der paramagnetischen Spezies [Fe(L)2(HL)(H2O)]3+, wobei HL als einzähniger Ligand fungiert und die sechste freie Koordinationsstelle von einem Wassermolekül besetzt wird, welches schnell ausgetauscht werden kann. Beide Gleichgewichte beeinflussen sich gegenseitig und dementsprechend ist der vollständige protonengetriebene, koordinationsinduzierte Wechsel des Spinzustands (PD-CISSS) pH-, temperatur- und konzentrationsabhängig. Zusätzlich konnte demonstriert werden, dass sich auch Spin-Crossover (SCO) Komplexe wie [Fe(Bpp)2]2+ mittels PD-CISSS in den HS Zustand überführen lassen. Desweiteren konnte gezeigt werden, dass der pH-Bereich und die Vollständigkeit des zugrundeliegenden PD-CISSS vom Substitutionsmuster des Liganden und im Speziellen vom induktiven Effekt der Methylgruppen abhängen. Im Fall von [Fe(44mBpy)3]2+ konnten Anzeichen für eine Protonierung bereits bei pH 6 beobachtet werden und Magnetmessungen bestätigten eine vollständige Konversion in den HS Zustand bei pH 1 und erhöhter Temperatur. Bei pH 1 und Raumtemperatur ist γHS daher für diese Verbindung doppelt so hoch wie für [Fe(Bpy)3]2+. Obwohl ein größerer Anteil von para-magnetischen Zentren vorliegt, ist die molare Relaxivität ∆r1 bei pH 1 etwas niedriger. Eine mögliche Erklärung dafür sind Unterschiede in der Austauschrate der Wassermoleküle. Das Verhalten der anderen drei Komplexe liegt zwischen [Fe(44mBpy)3]2+ und [Fe(Bpy)3]2+. Dies kann zufriedenstellend mit den unterschiedlichen Positionen der Methylgruppen erklärt werden. Generell erhöht jede Methylgruppe die Elektronendichte in den Pyridinringen aufgrund ihres induktiven Effekts. Der induktive Effekt ist ortho- und para-dirigierend. Der Stickstoff am Pyridinring von [Fe(55mBpy)3]2+ befindet sich in meta-Stellung zur Methylgruppe und daher ist die Elektronendichte nicht so stark erhöht wie im Fall von [Fe(44mBpy)3]2+, wo er sich para-ständig zur Methylgruppe befindet. Im Fall von [Fe(4mBpy)3]2+ und [Fe(5mBpy)3]2+ mit nur jeweils einer Methylgruppe ist der Effekt dementsprechend schwächer. Folglich ist für [Fe(44mBpy)3]2+ die Elektronendichte am Stick-stoff der Pyridinringe am höchsten. Der Stickstoff wird dadurch zu einer härteren Base für welche es wahrscheinlicher ist mit einem Proton als harte Säure zu interagieren. Somit ist die Protonierung am wahrscheinlichsten für [Fe(44mBpy)3]2+, am unwahrscheinlichsten für [Fe(4mBpy)3]2+ und [Fe(5mBpy)3]2+, während sich [Fe(55mBpy)3]2+ genau dazwischen befindet. Exakt diese Reihenfolge wurde experimentell bestätigt. Das zweite Gleichgewicht beinhaltet die Drehung der Pyridinringe und einen Fe-N-Bindungsbruch. Die Drehung wird zudem vom sterischen Anspruch der Substituenten beeinflusst und ist höchstwahrscheinlich nicht relevant für Lösungsexperimente. Nichtsdestotrotz stärkt die erhöhte Elektronendichte an den Pyridinstickstoffen die Fe-N-Bindung. Dies spiegelt sich in den γHS Werten wider, welche nicht in gleichem Maße wie die γH+ Werte ansteigen. Der gegenläufige Einfluss der erhöhten Elektronendichte (wahrscheinlichere Protonierung vs. Stärkung der Fe-N-Bindung) erklärt, weshalb der Anstieg von γHS bei [Fe(55mBpy)3]2+ (Stärkung der Fe-N-Bindung dominiert) bei einem niedrigeren pH-Wert startet und für [Fe(44mBpy)3]2+ bei einem höheren pH-Wert (mehr Protonierung durch para-dirigierenden Effekt) verglichen mit [Fe(Bpy)3]2+. Für die präsentierten Komplexe werden mittels FC 1H-NMR-Relaxometrie, Faktoren zwischen 10 und 20 für den LS-HS Relaxationsunterschied gefunden. Nach bestem Wissen, ist dies der größte LS-HS Relaxationsunterschied der bis jetzt in der Literatur beschrieben ist. Die Resultate unterstreichen, dass Eisen(II)-Verbindungen tatsächlich als pH-responsive Alternative zu toxischen Gadolinium(III)-Komplexen bei der Entwicklung von intelligenten Kontrastmitteln in Betracht gezogen werden sollten. Aufgrund der bisher benötigten, stark sauren Bedingungen, liegt das Anwendungspotential der beschriebenen Systeme am wahr-scheinlichsten im Bereich der gastrointestinalen bildgebenden Diagnostik. Im zweiten Teil dieser Studie wurden diamagnetische Eisen(II)-Komplexe in den Supercages von Zeolith-Mikropartikeln eingeschlossen. Es konnte festgestellt werden, dass intra-zeolithische Veränderungen durch einen PD-CISS detektiert werden können, solange die Konzentration der Komplexe innerhalb der Kavitäten ausreichend gering ist. Besonders die Hybridmaterialien Fe(Bpy)3@NaY und Fe(Bpp)2@NaY zeigen temperaturabhängige, optische und magnetische Eigenschaften, wenn sie mittels der beschriebenen Imprägnations-technik hergestellt werden. Durch die Verkapselung im Zeolith wird der Wechsel des Spinzustands über Brønsted-Säuren induziert. Dies kann aus den Veränderungen des MLCT-Übergangs, der MAS NMR Spektroskopie und den Magnetmessungen abgeleitet werden. Die beobachtbare Interaktion folgt exakt den Resultaten, welche bereits in Lösung erzeugt und erklärt werden konnten. Mössbauerspektroskopie, Pulverdiffraktometrie und SEM/EDX verifizieren die ausschließliche Präsenz von oktaedrisch koordinierten Komplexen im Zeolith. Zusätzlich ist bekannt, dass Zeolithe Brønsted-saure Zentren besitzen welche auch mittels MAS NMR nachgewiesen werden konnten. Desweiteren liegt die Komplexbeladung der imprägnierten Proben in einem Bereich in welchem die Interaktion mit Protonen in ein beobachtbares Areal verschoben ist. Die Brønsted-sauren Zentren interagieren mit dem basischsten Teil der Hybridmaterialien. Dies sind die Stickstoffdonoratome der aromatischen Ringe, was in Konsequenz zu Unterschieden im MLCT-Übergang führt. Alle auftretenden Farbwechsel während des Aufheizens – verfolgt mittels reflektiver Kubelka-Munk-Spektroskopie – sind identisch zu den Änderungen welche bereits in Lösung auftraten. Dies ist symptomatisch dafür, dass beide Prozesse durch Protonen in der näheren Komplex-umgebung ausgelöst werden. Deshalb muss der beobachtete Effekt im Hybridmaterial ebenfalls ein Wechsel des Spinzustands mit Änderung der Koordinationsgeometrie – verursacht durch Brønsted-saure Zentren – sein. Besonders Fe(Bpy)3@NaY zeigt unter Verkapselung eine reversible magnetische Bistabilität durch Protonierung. Im hydratisierten Zustand interagieren die Wassermoleküle in den Kavitäten mit den Brønsted-Zentren (Wasserstoffbrückenbindungen) und verhindern so die Interaktion dieser Zentren mit den Komplexen im Supercage. Durch Erhitzen wird das Wasser entfernt und die Bpy (oder Bpp) Liganden können mit den Brønsted-Zentren interagieren, was zu einer Protonierung am Stickstoffdonor führt. Dies induziert am Eisenzentrum einen Koordinationswechsel von sechs zu fünf, übereinstimmend mit einem Wechsel des Spinzustands von einem diamagnetischen LS zu einem paramagnetischen HS Zustand. Dabei wird eine Koordinationsstelle frei, an welcher Wassermoleküle schnell ausgetauscht werden können. Dies konnte anhand der Verstärkung der paramagnetischen Relaxation in Inversion-Recovery Experimenten nach-vollzogen werden. Zusammengefasst konnte demonstriert werden, dass auch in Zeolithen ein PD-CISSS stattfinden kann. Dies ist wichtig, da Hybridmaterialien und vor allem Zeolithe für ihre herausragende Biokompatibilität bekannt sind. Dieses ist für in vivo Anwendungen und das Design von sicheren und stabilen, intelligenten Kontrastmitteln besonders nötig. Zusätzlich erlaubt der PD-CISSS hier die temperaturabhängige Brønsted-Acidität über Änderungen des magnetischen Moments zu überwachen. Im dritten Teil dieser Studie wurden [Fe(44mBpy)3]2+, [Fe(55mBpy)3]2+ und [Fe(Bpy)3]2+ mittels Imprägnation in die Supercages von NaY und NaX Nanopartikeln eingebracht. IR- und Mössbauerspektroskopie bestätigten die Einlagerung ohne Bildung von paramagnetischen Nebenprodukten in den Sodalith-Käfigen. Es stellte sich heraus, dass die Nanopartikel aufgrund ihrer großen zugänglichen Oberfläche sehr gut für die Imprägnationstechnik geeignet sind. Die erzielten Beladungen sind bis zu fünf Mal so hoch wie für die Mikropartikel und liegen daher in einem Beladungsbereich der vergleichbar mit Eisenaustauschprozeduren ist. Dies hebt die Imprägnation als effektive und verlässliche Präparationstechnik für beladene Zeolith-Nanopartikel hervor. Alle Hybridmaterialien wurden mittels Mössbauerspektroskopie analysiert, wobei vorrangig die Bildung von dia-magnetischen, oktaedrischen Eisen(II)-Komplexen innerhalb der großen Kavitäten bestätigt wurde. Für alle Komplexe welche in NaX eingeschlossen wurden, tritt im Vergleich zum Feststoff eine Verzerrung der Koordinationsgeometrie auf. Aufgrund des höheren sterischen Anspruchs ist diese für die methylierten Derivate ausgeprägter. Sowohl Fe(44mBpy)3@NaX als auch Fe(44mBpy)3@NaY weisen eine diamagnetische und eine paramagnetische Spezies in den Supercages auf, was sich in erhöhten χMass Werten bei RT widerspiegelt. Die Mössbauerparameter der paramagnetischen Spezies konnten bestimmt werden und korrespon-dieren vollständig mit denen paramagnetischer, asymmetrischer Eisen(II)-Komplexe im Supercage, wie man es für ein halb-gebundenes, protoniertes Addukt erwarten würde. Alle eingeschlossenen Verbindungen durchlaufen bei Erhöhung der Temperatur während der Magnetmessung einen PD-CISSS – sowohl in NaY als auch in NaX. Dies wird durch Brønsted-Zentren verursacht, in Analogie zum Verhalten welches bereits bei den Komplexen in Lösung beobachtet werden konnte. Die gesamte Änderung ∆χMass fällt für NaY stärker aus während T½ für NaX signifikant zu niedrigeren Temperaturen verschoben ist, in Über-einstimmung mit dem theoretisch höheren Gehalt von Brønsted-Zentren. Interessanterweise wurden für [Fe(Bpy)3]2+ in beiden Zeolithen identische T½ Werte gefunden, übereinstimmend mit dem temperaturunabhängigen, stationären Zustand dieser Komplexe in Lösung. Die Ergebnisse zeigen, dass Hybride aus Eisen(II)-Komplexen und Zeolith-Nanopartikeln für die Konzeptionierung neuer, intelligenter Kontrastmittel in Betracht gezogen werden sollten. Die Verbindung von Komplexen und Trägermaterialien führt zu Multiresponsivität, erhöht die Biokompatibilität und generiert ein breiteres Eigenschaftsspektrum, welches wichtig ist um die Anwendbarkeit in das biologische Fenster zu verschieben. Alles in allem wurde eine Klasse von Verbindungen identifiziert, welche einen pH-responsiven Magnetismus in wässriger Lösung aufweisen. Der verantwortliche, molekulare Mechanismus ist ein PD-CISSS, welcher aufgrund des Austauschs von Wassermolekülen an einer freien Koordinationsstelle, zu einer Verstärkung der paramagnetischen Relaxation oberhalb einer spezifischen Protonenkonzentration führt. Der PD-CISSS ist sowohl temperatur-, konzentrations-, als auch pH-abhängig und kann durch Substitution der Liganden beeinflusst werden. Dabei wird der Einfluss des Liganden maßgeblich durch die Elektronendonorfunktion der Methylgruppen bestimmt. Die pH-Responsivität ist nicht auf Lösungen von Komplexen beschränkt, sondern kann auch unter Einschluss in Hybridmaterialien beobachtet werden. Es konnte demonstriert werden, dass mit den beschriebenen Komplexen beladene Zeolith-Mikropartikel PD-CISSS Eigenschaften unter Entfernung und Zuführung von Wasser in den intrazeolithischen Kanälen aufweisen können. Ein ähnliches Verhalten konnte auch für Zeolith-Nanopartikel generiert werden, wobei die pH-Responsivität auch unter Einschluss immer noch durch Substitution der Liganden kontrolliert werden kann, wie es bereits in Lösung der Fall war. Der präsentierte PD-CISSS und dessen Verknüpfung mit biokompatiblen Zeolith-Nanopartikeln ist zweifellos ein neuer Impuls für das Design von intelligenten Kontrastmitteln basierend auf ungiftigen Eisen(II)-Komplexen.

Abstract in weiterer Sprache

In the first part of this study a series of homoleptic iron(II) complexes of twelve different bidentate and tridentate ligands was synthesized and investigated with regard to the observation of a pH-responsive magnetism in aqueous solution. The five, at room temperature diamagnetic, aprotic iron(II) complexes [Fe(Bpy)3]2+, [Fe(44mBpy)3]2+, [Fe(55mBpy)3]2+, [Fe(4mBpy)3]2+ and [Fe(5mBpy)3]2+ show the necessary long-term stability in solution and a pH-responsive magnetism. The corresponding chloride salts were characterized in the solid state using magnetic measurements, Mössbauer spectroscopy, powder diffraction, thermo gravimetric analysis and single crystal X-ray structure analysis. All five complexes show a spin state change above room temperature due to a loss of solvent molecules included in the crystal packing. Solutions of the complexes at different pH were investigated in detail using 1H-NMR and UV-Vis spectroscopy as well as magnetic measurements to analyze their suitability as smart imaging probe due to a pH-responsive paramagnetic relaxation enhancement. It is demonstrated that the low-spin (LS) complexes can be converted reversibly into high-spin (HS) complexes as function of the pH, temperature and concentration. In a first step the diamagnetic [Fe(L)3]2+ (L = bipyridine or its mentioned derivatives) is protonated, leading to a diamagnetic six-coordinated species [Fe(L)2(LH)]3+, where LH+ is still a bidentate ligand. This diamagnetic species is in a temperature-dependent equilibrium with a paramagnetic species [Fe(L)2(HL)(H2O)]3+, where HL acts as monodentate ligand and the sixth coordination site is occupied by a water molecule that is exchanged rapidly. Both equilibria influence each other thus the whole proton-driven coordination-induced spin state switch (PD-CISSS) is pH-, temperature- and concentration-dependent. Additionally, it is demonstrated that also spin-crossover (SCO) complexes like [Fe(Bpp)2]2+ can be modulated towards the HS state via PD-CISSS. Furthermore, it is shown that the pH range and completeness of the underlying PD-CISSS depend on the substitution pattern of the ligand and especially the inductive effect of the methyl substituents. In the case of [Fe(44mBpy)3]2+, indications for a protonated species were already observed at pH 6 and the magnetic measurements revealed a complete conversion to the HS state at pH 1 and elevated temperatures. At room temperature and pH 1, γHS is twice as high as for [Fe(Bpy)3]2+. The molar relaxivity ∆r1 at pH 1 is slightly lower, although a higher fraction of paramagnetic centers is present. An explanation for this is a difference in the water exchange rates. The performance of the other three complexes is in between [Fe(44mBpy)3]2+ and [Fe(Bpy)3]2+. This can be coherently explained by the different positions of the methyl group. Generally, each methyl group increases the electron density in the pyridine ring due to its inductive effect. The inductive effect is ortho and para directing. The pyridine nitrogen of [Fe(55mBpy)3]2+ is in meta position to the methyl group and the electron density is not as strongly increased as in the case of [Fe(44mBpy)3]2+, where it is para to the methyl group. In case of [Fe(4mBpy)3]2+ and [Fe(5mBpy)3]2+ with only one methyl group the effect is weaker. Therefore, electron density at the pyridine nitrogen is increased the most for [Fe(44mBpy)3]2+. The nitrogen becomes a harder base which is more likely to interact with protons as a hard acid. Consequently, protonation is most likely for [Fe(44mBpy)3]2+, least likely for [Fe(4mBpy)3]2+ and [Fe(5mBpy)3]2+, while [Fe(55mBpy)3]2+ is located in between. This is in excellent agreement with the experimental results. The second equilibrium step involves a twisting of the pyridyl ring and a Fe-N bond break. The twisting is mainly influenced by the sterical demand of the substituents and is most likely not relevant for solution experiments. However, the increased electron density at the pyridine nitrogen strengthens the Fe-N bond. This is mirrored in the γHS values that do not increase in the same extent as the γH+ values. The counteracting influence of the increased electron density (more likely protonation vs. strengthening of the Fe-N bond) explains why the increase of γHS starts at lower pH in the case of [Fe(55mBpy)3]2+ (strengthening of the Fe-N bond dominates) and at a slightly higher pH in the case of [Fe(44mBpy)3]2+ (more protonation due to para directing effect) compared to [Fe(Bpy)3]2+. For the presented complexes, in field-cycling (FC) 1H-NMR relaxometry factors between 10 and 20 are found for the LS-HS relaxivity gap. This is – to the best of our knowledge – the largest LS-HS relaxivity gap reported so far in the literature. The results highlight that iron(II) complexes should indeed be considered as pH-responsive alternative to toxic gadolinium(III) complexes in the development of smart contrast agents. Due to the very acidic conditions needed so far, the application potential of the presented systems is most likely in the area of gastrointestinal imaging. In the second part of this study, diamagnetic iron(II) complexes have been encapsulated in the supercages of microsized zeolite NaY and have been found to detect changes of the intrazeolitic environment by undergoing a PD-CISSS if the complex concentration is sufficiently low. Especially the hybrids Fe(Bpy)3@NaY and Fe(Bpp)2@NaY exhibit temperature-dependent optical and magnetic properties when prepared via wet impregnation. Under small confinement, the spin state change is induced by Brønsted acid sites as it could be inferred from the alteration of the MLCT-transition, MAS NMR spectroscopy and magnetic measurements. The observed interaction follows exactly the result which could already be observed and explained in solution. Mössbauer spectroscopy, powder diffraction and SEM/EDX verify the presence of solely the octahedral coordinated complexes inside of the zeolite. Additionally, for zeolites it is generally known that they carry proton defects which were also found via MAS NMR and the complex loadings of the impregnated materials are in a region where interaction with protons is shifted into an observable region. Brønsted acid sites interact with the most basic part in the hybrids which are the N-donor atoms of the aromatic rings what consequently leads to differences in MLCT-transition. All color changes upon heating followed via reflective Kubelka-Munk measurements are similar to the changes observed in solution what indicates that both processes are caused by protons in the near surrounding of the iron complexes. Therefore, the observed effect under small confinement must be a spin state change with coordination change caused by Brønsted acid sites. Especially [Fe(Bpy)3]2+ under small confinement is shown to exhibit a reversible magnetic bistability upon protonation. In the wet state, the water in the zeolite cavities interacts with the Brønsted acid sites (hydrogen bonds) and thus prevents an interaction of those sites with the complexes in the supercages. Upon heating, water is removed and now the Bpy (or the Bpp) ligand can interact with the Brønsted acid sites leading to a protonation of the nitrogen donor. This induces a coordination change at the iron center from six to five in line with a spin state change from a diamagnetic LS state to a paramagnetic HS state. A free coordination spot is formed where water molecules are exchanged rapidly as it could be followed by paramagnetic relaxation enhancement in inversion-recovery experiments. In summary it has been demonstrated that inside the zeolite a proton-driven coordination-induced spin state switch can take place, too. This is essential since hybrid materials – especially zeolites – are known for their outstanding biocompatibility which is highly necessary for in vivo applications and the design of safe and stable smart contrast agents. Additionally, the PD-CISSS allows here to monitor the temperature-dependent Brønsted acidity via changes of the magnetic moment. In the third part of this study, wet impregnation was used to insert [Fe(44mBpy)3]2+, [Fe(55mBpy)3]2+ and [Fe(Bpy)3]2+ in the supercages of zeolite NaY and NaX nanoparticles. IR and Mössbauer spectroscopy confirmed encapsulation without the formation of paramagnetic species in the sodalite cages. It turned out that the nanosized particles are very suitable for the wet impregnation technique due to the higher surface accessibility. The achieved loadings are up to five times higher than it was found for microsized zeolites and are therefore in a region comparable to iron exchange procedures. This highlights wet impregnation as an effective and reliable preparation technique for zeolite nanoparticles. All hybrid materials were analyzed with Mössbauer spectroscopy where predominantly the formation of the diamagnetic, octahedral coordinated iron(II) complexes inside the voids was detected. For all encapsulated complexes in NaX nanoparticles a distortion of the coordination geometry compared to the bulk material is observed which is most pronounced for the methylated derivatives as a result of the higher sterical demand. In the case of Fe(44mBpy)3@NaX and Fe(44mBpy)3@NaY a diamagnetic and a paramagnetic species are observed inside the supercages what is mirrored by a higher χMass value at RT during SQUID magnetometry. This is in line with the solution measurements of the chloride complex which transits most easily via PD-CISSS to a paramagnetic state. The Mössbauer parameters of the paramagnetic species could be captured and correspond nicely to a paramagnetic, asymmetric iron(II) complex in the supercage as it would be indicative for a half-bonded, protonated adduct. Magnetic measurements show that all composite materials undergo PD-CISSS – in NaY as well as in NaX – caused by Brønsted acid sites in total analogy to the behavior of the bulk complexes in acidic solution. The overall change of ∆χMass was found to be larger for NaY while T½ was found to be significantly shifted to lower temperatures in NaX in congruency to the theoretically larger amount of Brønsted acid sites. Interestingly the same T½ value was found for [Fe(Bpy)3]2+ in both zeolites in congruency to the T-independent steady state condition for this complex in solution. The results highlight that iron(II) zeolite hybrid nanoparticles should be considered for the design of new smart contrast agents. The interplay between the complexes and the solid state material leads to multiresponsiveness, increases the biocompatibility and generates a broader property spectrum what is important to shift the desired features into the biological window. In summary, a family of compounds was identified displaying a pH-responsive magnetism in aqueous solution. The underlying mechanism is a proton-driven coordination-induced spin state switch that leads to a paramagnetic relaxation enhancement above a specific proton concentration due to a free coordination site where water molecules can be exchanged. The PD-CISSS was found to be temperature-, concentration- and pH-dependent and to be alterable via ligand substitution. Thereby, the influence of the ligand is mainly determined by the electron donating ability of the methyl groups. The pH-responsiveness is not only limited to complex solutions but can also be observed under small confinement. It was demonstrated that microsized zeolite particles loaded with the presented complexes can show also PD-CISSS effects under removal and addition of water from the intrazeolitic channels. A similar behavior can also be generated in zeolite nanoparticles and the sensitivity of the pH-response is under small confinement still controllable via ligand substitution as it has been observed in solution. The presented PD-CISSS and the amalgamation with biocompatible zeolite nanoparticles is doubtlessly a new impetus for the design of smart contrast agents based on nontoxic iron(II) complexes.