Elektronenparamagnetische Rezonanzspektroskopie (EPR-Spektroskopie)

Quelle: David C. Powers, Tamara M. Powers, Texas A & M

In diesem Video lernen wir die grundlegenden Prinzipien hinter Elektron paramagnetischen Resonanz (EPR). Wir verwenden EPR-Spektroskopie, um Dibutylhydroxy Toluol (BHT) als Antioxidans in der Autoxidation von aliphatischen Aldehyde Verhalten zu studieren.

Grundlagen der EPR:

EPR ist ein spektroskopische Verfahren, die auf ähnliche physikalische Phänomene als Kernresonanzspektroskopie (NMR) beruht. Während NMR Kernspin-Übergänge misst, misst EPR Elektronen-Spin-Übergänge. EPR wird hauptsächlich verwendet, um paramagnetischen Moleküle zu studieren, die Moleküle mit ungepaarten Elektronen sind. Daran erinnern, daß ein Elektron eine Drehbeschleunigung Quantenzahl s = ½, die magnetische Komponenten m_s = 1/2 und m-_s = - ½. In Ermangelung eines magnetischen Feldes die Energie der beiden m_s Staaten entsprechen. Jedoch im Beisein eines angelegten Magnetfeldes (B₀) richtet das magnetische Moment des Elektrons mit dem angelegten Magnetfeldes und infolgedessen die m_s Staaten werden nicht entartet (Abbildung 1). Die Energiedifferenz zwischen dem m_s richtet sich auf die Stärke des Magnetfeldes (Gleichung 1). Dies nennt man den Zeeman Effekt.

E = m₂g_eμ_BB₀ (Gleichung 1)

wo ist g_e g-Faktor, der für eine freie Elektronen und µ_B 2.0023 ist Bohr Magneton.

Bei einem bestimmten Magnetfeld B₀, ist die Energiedifferenz zwischen den beiden m-_s -Staaten durch Gleichung 2gegeben.

ΔE = E_½ -E_-½ = g_eμ_BB₀ = Hυ (Gleichung 2)

Ein Elektron bewegt sich zwischen den beiden m-_s -Staaten bei der Emission oder Absorption eines Photons mit Energie ΔE = hυ. Gleichung 2 bezieht sich auf eine einzelne, freie Elektronen. Jedoch, ähnlich wie die Art und Weise, die die chemische Verschiebung in ¹H NMR hängt von der chemischen Umgebung des H-Atoms, Elektronen innerhalb von Molekülen in die gleiche Weise wie ein isoliertes Elektron Verhalten nicht. Das elektrische Feld Gefälle des Moleküls wird das effektive Magnetfeld, gegeben durch die Gleichung 3beeinflussen.

B-_Eff B₀= (1 — σ) (Gleichung 3)

wo σ ist die Wirkung von heimischen Feldern, die einen positiven oder negativen Wert sein kann.

Gleichung 2 Gleichung 3 einstecken, definieren wir den g-Faktor für ein ungepaartes Elektron in einem bestimmten Molekül als g = g_e(1 - σ), die die allgemeine Formel vereinfacht:

Hυ = Gμ_BB₀ (Gleichung 4)

Während des EPR-Experiments, die Frequenz wird gefegt, am häufigsten in der Mikrowelle Region von 9.000-10.000 MHz, und das Feld findet konstant bei ca. 0,35 T, so dass für die Berechnung von g. Experimentell bestimmen g mit EPR bietet Informationen über die elektronische Struktur eines paramagnetischen Moleküls.

Abbildung 1. Aufteilung des magnetischen Momentes Staaten, m-_s, in Anwesenheit eines magnetischen Feldes.

Anwendung der EPR:

In diesem Experiment verwenden wir EPR-Spektroskopie, um die Chemie der Antioxidantien zu untersuchen. O₂, umfasst ~ 21 % der Erdatmosphäre ist ein starkes Oxidationsmittel. Trotz seines Potenzials als Oxidationsmittel fungieren O₂ ist eine Triole Grundzustand und somit reagiert nur sehr langsam mit den meisten organischen Molekülen. Eine wichtige, aber oft zu unerwünschten, Reaktion von O₂ vermittelt wird Autoxidation. O₂ initiiert Autoxidation Chemie radikale Chain Prozesse, die organische Moleküle schnell verbrauchen können. Abbildung 2 veranschaulicht eine gemeinsame Autoxidation, in denen Aldehyden zu Carbonsäuren oxidiert werden.

Autoxidation Chemie zu verhindern ist wichtig, zu verhindern, dass die Zersetzung des gemeinsamen organischen Materialien, wie Kunststoffe, und ein großes Feld entwickelte sich um wirksame Antioxidantien um Autoxidation hemmen zu identifizieren. Ein Mechanismus durch die Antioxidantien Funktion kann ist durch die Reaktion mit der radikalen Zwischenprodukte, radikale Chain Prozesse zu hemmen. Denn radikale Art Spins ungepaarten haben, ist EPR ein wertvolles Werkzeug für das Verständnis der Chemie der Antioxidantien. In diesem Experiment verwenden wir EPR-Spektroskopie, um die Rolle der BHT als Antioxidans in der Autoxidation von aliphatischen Aldehyde zu erkunden.

Abbildung 2. Aldehyd Autoxidation verläuft über eine radikale Kettenmechanismus.

(1) Autoxidation von Butyraldehyde

1. Bereiten Sie eine Lösung des Butyraldehyde (100 mg) und CoCl₂·6H₂O (1 mg) in 1,2-Dichlorethan (DCE) (4 mL) in ein 20 mL-Fläschchen funkeln. Fügen Sie eine magnetische Stir Bar und passen Sie das Fläschchen mit einer Scheidewand Kautschuk.
2. Legen Sie den Lauf der eine 1 mL Kunststoffspritze auf ein kurzes Stück Gummischlauch. Stecken Sie den Gummischlauch in einem Latexballon und sichern Sie den Ballon in das Röhrchen mit einem Gummiband und Isolierband. Pumpen Sie ein Latexballon mit O₂.
3. Stechen Sie die Nadel von der O₂ Ballon in das Fläschchen Reaktion. Legen Sie eine zweite Nadel in das Septum und Säuberung der Kopfraum das Reaktionsgefäß mit O₂.
4. Mit einer Platte rühren, rühren Sie die Reaktion bei Raumtemperatur für 4 h unter O₂ Atmosphäre.
5. Konzentrieren Sie das Reaktionsgemisch mit einer Drehverdampfer und nehmen Sie eine ¹H-NMR-Spektrum der resultierende ölige Rückstände in CDCl-₃.

(2) mit BHT als Antioxidans für die Autoxidation von Butyraldehyde

Richten Sie zwei Fläschchen, wie unten beschrieben. Man wird verwendet, um die Vertriebswege zu analysieren und eine wird in Schritt 3 für EPR-Spektroskopie verwendet werden.

1. Bereiten Sie eine Lösung des Butyraldehyde (100 mg) und CoCl₂·6H₂O (1 mg) in DCE (4 mL) in ein 20 mL-Fläschchen funkeln. BHT (10 mg) der Projektmappe hinzufügen. Fügen Sie eine magnetische Stir Bar und passen Sie das Fläschchen mit einer Scheidewand Kautschuk.
2. Legen Sie den Lauf der eine 1 mL Kunststoffspritze auf ein kurzes Stück Gummischlauch. Stecken Sie den Gummischlauch in einem Latexballon und sichern Sie den Ballon in das Röhrchen mit einem Gummiband und Isolierband. Pumpen Sie ein Latexballon mit O₂.
3. Stechen Sie die Nadel von der O₂ Ballon in das Fläschchen Reaktion. Legen Sie eine zweite Nadel in das Septum und Säuberung der Kopfraum das Reaktionsgefäß mit O₂.
4. Mit einer Platte rühren, rühren Sie die Reaktion bei Raumtemperatur für 4 h unter O₂ Atmosphäre.
5. Konzentrieren Sie das Reaktionsgemisch mit einer Drehverdampfer und nehmen Sie eine ¹H-NMR-Spektrum der resultierende ölige Rückstände in CDCl-₃.

3. Messung der EPR-Spektren

1. Schalten Sie das EPR-Spektrometer und lassen Sie das Gerät Aufwärmen für 30 min. Set ein EPR-Übernahme mit den folgenden Parametern: Mittelfeld 3.345 G, Sweep Breite 100 G, Sweep Zeit 55 s Zeit konstant 10 ms, MW Leistung 5 mW, Modulation 100 kHz , und Amplitude Modulation 1 G.
2. Eine EPR-Spektrum an einem Leerrohr EPR um sicherzustellen, dass es keine Hintergrund-Signale aus dem EPR-Rohr oder Instrument-Resonator gibt zu messen.
3. Bereiten Sie eine Lösung von BHT in DCE in eine N-₂-Glove-Box gefüllt. Übertragen Sie 0,5 mL der Lösung auf einem EPR-Rohr und Messen Sie das EPR-Spektrum der BHT mit der Aufnahmeparameter Schritt 3.1 gegründet.
4. Übertragen Sie 0,5 mL der BHT hinzugefügt Reaktionslösung aus Schritt 2 ein EPR-Rohr und erwerben und EPR-Spektrum mit der Aufnahmeparameter einrichten Schritt 3.1.

Die Autoxidation von Butyraldehyde bietet Buttersäure. Die ¹H-NMR-Spektrum erhalten aus der Reaktion, die in Schritt 1 durchgeführt zeigt den Mangel an eine aldehydisch C-H-Resonanz und das Vorhandensein der Resonanzen von Buttersäure erwartet. Im Gegensatz dazu zeigt der NMR, gewonnen aus dem Reaktionsgemisch aus Schritt 2 (mit zusätzlichen BHT) Signale mit Butyraldehyde, mit keine Buttersäure vorhanden. Aus diesen Daten beobachten wir, dass die Butyraldehyde als Antioxidans in Aldehyd Autoxidation gedient hat.

Die Rolle der BHT bei der Hemmung Aldehyd Autoxidation leuchtet durch die EPR-Spektren von BHT und BHT hinzugefügt, um die Aldehyd Autoxidation Reaktion erhalten. BHT ist eine diamagnetische organisches Molekül, d.h. es gibt keine ungepaarten Elektronen. Dementsprechend zeigt das EPR-Spektrum von BHT keine Signale. Im Gegensatz dazu zeigt das EPR-Spektrum der Autoxidation Reaktion in der BHT hinzugefügt wurde eine starke vier gesäumten Muster, eine organische radikale entsprechen. Dieses Spektrum entsteht, weil der O-H-Bindung von BHT schwach ist und im Beisein von radikalen während Autoxidation generiert, H-Atom Transfer vom BHT den radikalen Kettenmechanismus stillt und generiert eine stabile O-zentrierte radikale.

In diesem Experiment erkundeten wir die Rolle von Antioxidantien in der Hemmung der Autoxidation Chemie. Wir sondiert den Mechanismus der Hemmung mit EPR-Spektroskopie, die ergab, dass BHT von reaktiven Radikale Zwischenprodukte durch H-Atom Transfer abschrecken dient als Antioxidans.

Moleküle mit ungepaarten Elektronen können schwierig sein, durch NMR zu charakterisieren und EPR-Spektroskopie bietet somit häufig nützlich und ergänzende Informationen zu dieser Spezies. EPR-Spektroskopie ist eine experimentelle Technik, die häufig verwendet wird, zu erkennen und charakterisieren organische Radikale. Zudem zeigen paramagnetischen anorganische komplexe häufig auch EPR-Spektren, die für die Charakterisierung lehrreich sein können. Experimentelle EPR Spektren abzugrenzen der g-Faktor das ungepaarte Elektron, die Informationen über die elektronische Struktur des paramagnetischen Center liefert. Darüber hinaus beeinflussen die Kernspins die Kerne mit einem ungepaarten Elektron sowie benachbarte Kerne auch das magnetische Moment des Elektrons, wodurch die weitere Aufteilung der m_s Staaten und mehrere Zeilen in der EPR-Spektrum. Die daraus resultierende Hyperfein und Super-Hyperfein Kupplung bietet weitere Informationen über die elektronische Struktur des Moleküls.

Neben Charakterisierung organischer und anorganischer Art Open-Shell, ist die vorzügliche Empfindlichkeit der EPR-Spektroskopie entscheidend für die Anwendung auf bioanorganische Systeme, wo ist die Konzentration von Metall Cofaktoren gering. EPR-Spektren routinemäßig bioanorganische Chemie dienen zur direkten Informationen über die Strukturen und Oxidationsstufen von Metallionen im Herzen von Enzymen.