Espectroscopía de resonancia paramagnética electrónica (EPR)

Fuente: David C. Powers, Tamara M. poderes, Texas A & M

En este video, aprenderemos los principios básicos detrás de resonancia paramagnética electrónica (EPR). Utilizamos espectroscopia EPR para el estudio de cómo dibutylhydroxy tolueno (BHT) se comporta como antioxidante en la autoxidación de Aldehídos alifáticos.

Fundamentos del EPR:

EPR es una técnica espectroscópica que se basa en fenómenos físicos similares como espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN). Mientras que NMR mide transiciones de spin nuclear, EPR mide transiciones de spin del electrón. EPR se utiliza principalmente para estudiar las moléculas paramagnéticas, que son moléculas con electrones no apareados. Recordar que un electrón tiene un número del quántum de la vuelta, s = ½, que tiene componentes magnéticos m_s = 1/2 y m_s = - ½. En la ausencia de un campo magnético, la energía de los dos Estados m_s son equivalentes. Sin embargo, en presencia de un campo magnético aplicado (B₀), el momento magnético del electrón se alinea con el campo magnético aplicado y, en consecuencia, los Estados m_s ser no degenerado (figura 1). Depende de la diferencia de energía entre el estado m_s fuerza de campo magnético (ecuación 1). Esto se llama el efecto Zeeman.

E = m₂g_eμ_BB₀ (ecuación 1)

donde g_e es g-factor, que es 2.0023 para un electrón libre y un μ_B es el magneton de Bohr.

En un determinado campo magnético, B₀, la diferencia de energía entre los dos m_s Estados viene dada por la ecuación 2.

ΔE = E_½ -E_-½ = g_eμ_BB₀ = hυ (ecuación 2)

Un electrón se mueve entre los dos Estados m_s sobre la emisión o absorción de un fotón con energía ΔE = hυ. ecuación 2 se aplica a una sola, electrones libres. Sin embargo, similar a la forma en que el cambio químico en ¹H NMR depende el entorno químico del átomo H, electrones dentro de moléculas no se comportan de la misma manera que un electrón aislado. El gradiente de campo eléctrico de la molécula influirá en el campo magnético efectivo, dado por la ecuación 3.

B_eff = B₀(1 -σ) (ecuación 3)

donde σ es el efecto de los campos locales, que puede ser un valor positivo o negativo.

Enchufar la ecuación 3 en la ecuación 2, podemos definir g-factor para un electrón desapareado en una molécula dada como g = g_e(1 - σ), que simplifica la ecuación general para:

hυ = gμ_BB₀ (ecuación 4)

Durante el experimento EPR, la frecuencia se barre, más comúnmente en la región de microondas oscilan entre 9.000-10.000 MHz, y el campo se mantiene constante en aproximadamente 0.35 T, lo que permite el cálculo de g. Determinación experimental de g mediante EPR proporciona información sobre la estructura electrónica de una molécula paramagnética.

Figura 1. Partir de Estados de momento magnético, m_s, en presencia de un campo magnético.

Aplicación de EPR:

En este experimento, utilizamos espectroscopia EPR a investigar la química de los antioxidantes. O₂, que consta de ~ 21% de la atmósfera terrestre, es un oxidante fuerte. A pesar de su potencial para actuar como un oxidante, O₂ es un estado triplete y así sólo reacciona muy lentamente con las moléculas orgánicas más. Una importante, aunque muchas veces indeseada, reacción mediada por el O₂ es autoxidación. En química de la autoxidación, O₂ inicia procesos de la cadena radical, que pueden consumir rápidamente las moléculas orgánicas. La figura 2 ilustra una autoxidación común, en la que aldehídos se oxidan a ácidos carboxílicos.

Prevención de la autoxidación química es importante para evitar la descomposición de muchos materiales orgánicos comunes, tales como plásticos, y un campo grande ha desarrollado alrededor de identificación eficaces antioxidantes para inhibir la autoxidación. Un mecanismo por que antioxidantes puede funcionar es por reacción con los radicales intermedios para inhibir los procesos de la cadena radical. Porque especies radicales han desapareado vueltas, EPR es una herramienta valiosa para la comprensión de la química de los antioxidantes. En este experimento, utilizamos espectroscopia EPR a explorar el papel de BHT como antioxidante en la autoxidación de Aldehídos alifáticos.

Figura 2. Autoxidación de aldehído procede vía un mecanismo de cadena radical.

1. autoxidación de butiraldehído

1. Preparar una solución de butiraldehído (100 mg) y CoCl₂·6H₂O (1 mg) en 1, 2-dicloroetano (DCE) (4 mL) en un vial de centelleo de 20 mL. Agregar una barra de agitación magnética y coloque el frasco con un septo de goma.
2. Coloque el cilindro de una jeringa de plástico de 1 mL en un pedazo corto de tubo de goma. Inserte el tubo de goma de un globo de látex y asegure el globo en el tubo con una goma elástica y cinta aislante. Inflar un globo de látex con O₂.
3. Inserte la aguja del globo de O₂ en el frasco de reacción. Inserte una segunda aguja en el tabique y purgar el espacio de cabeza de la vasija de reacción con O₂.
4. Usando una placa de agitación, agregue la reacción a temperatura ambiente durante 4 h en una atmósfera de O₂ .
5. Concentrar la mezcla de reacción utilizando un evaporador rotatorio y un espectro de ¹H NMR del residuo aceitoso resultante en CDCl₃.

2. uso de BHT como antioxidante para la autoxidación de butiraldehído

Configurar dos frascos como se describe a continuación. Uno será utilizado para analizar la distribución del producto y uno se utilizará en el paso 3 para espectroscopia EPR.

1. Preparar una solución de butiraldehído (100 mg) y CoCl₂·6H₂O (1 mg) de DCE (4 mL) en un vial de centelleo de 20 mL. Añadir BHT (10 mg) a la solución. Agregar una barra de agitación magnética y coloque el frasco con un septo de goma.
2. Coloque el cilindro de una jeringa de plástico de 1 mL en un pedazo corto de tubo de goma. Inserte el tubo de goma de un globo de látex y asegure el globo en el tubo con una goma elástica y cinta aislante. Inflar un globo de látex con O₂.
3. Inserte la aguja del globo de O₂ en el frasco de reacción. Inserte una segunda aguja en el tabique y purgar el espacio de cabeza de la vasija de reacción con O₂.
4. Usando una placa de agitación, agregue la reacción a temperatura ambiente durante 4 h en una atmósfera de O₂ .
5. Concentrar la mezcla de reacción utilizando un evaporador rotatorio y un espectro de ¹H NMR del residuo aceitoso resultante en CDCl₃.

3. medición de espectros EPR

1. Encienda el espectrómetro EPR y permita que el instrumento caliente durante 30 minutos Set up una adquisición de EPR con los siguientes parámetros: campo 3.345 G, 100 G, barrido tiempo 55 s, de la anchura del barrido de tiempo constante 10 ms, MW potencia 5 mW, modulación de 100 kHz , modulación de amplitud y 1 G.
2. Medir un espectro EPR de un tubo vacío de EPR para asegurarse de que no hay ninguna señal de fondo del tubo EPR o el resonador del instrumento.
3. Preparar una solución de BHT en DCE en un N₂-llena la caja de guante. Transferir 0,5 mL de la solución a un tubo EPR y medir el espectro EPR de BHT utilizando los parámetros de adquisición establecidos en el paso 3.1.
4. Transferir 0,5 mL de la solución de reacción añadió BHT del paso 2 en un tubo EPR y adquirir y espectro EPR con los parámetros de adquisición establecidos en el paso 3.1.

La autoxidación de butiraldehído produce ácido butírico. El espectro de ¹H NMR de la reacción que se llevó a cabo en el paso 1 muestra la falta de una resonancia C H aldehídica y la presencia de las resonancias de ácido butírico. En contraste, la RMN obtenida de la mezcla de reacción del paso 2 (con agregado BHT) muestra señales consistentes con butiraldehído, sin ácido butírico presente. De estos datos, observamos que el butiraldehído ha servido como un antioxidante en la autoxidación de aldehído.

El papel de BHT en la inhibición de la autoxidación del aldehído es iluminado por los espectros EPR obtenidos de BHT de BHT ha añadido a la reacción de la autoxidación de aldehído. BHT es una molécula orgánica diamagnético, lo que significa que hay no hay electrones no apareados. En consecuencia, el espectro EPR de BHT no muestra ninguna señal. Por el contrario, el espectro EPR de la reacción de la autoxidación en que se ha agregado BHT muestra un patrón fuerte con un alineado cuatro, consistente con un radical orgánico. Este espectro se presenta porque el enlace O-H del BHT es débil y en presencia de radicales generados durante la autoxidación, transferencia de H-átomo de BHT apaga el mecanismo de cadena radical y genera a un radical estable centrada en O.

En este experimento, hemos explorado el papel de los antioxidantes en la inhibición química de la autoxidación. Hemos explorado el mecanismo de inhibición usando la espectroscopia EPR, que reveló que sirve BHT como antioxidante reactivos intermedios radicales por transferencia de átomo de H que apaga.

Moléculas con electrones no apareados pueden ser difíciles de caracterizar por RMN y así espectroscopia EPR con frecuencia proporciona información útil y complementaria sobre estas especies. Espectroscopia EPR es una técnica experimental que se utiliza con frecuencia para detectar y caracterizar a los radicales orgánicos. Además, paramagnéticos complejos inorgánicos con frecuencia muestran espectros EPR pueden ser instructivos para la caracterización. Espectros EPR experimentales delinean el g-factor del electrón desapareado, que proporciona información sobre la estructura electrónica del centro paramagnético. Además, los espines nucleares de los núcleos con un electrón desapareado, así como núcleos vecinos también influyen en el momento magnético de un electrón, dando lugar a partir adicional de los Estados m_s y varias líneas en el espectro EPR. La resultante de la hiperfina y super-hiperfina acoplamiento proporciona más información acerca de la estructura electrónica de la molécula.

Además de caracterizar abrir-cáscara especies orgánicas e inorgánicas, la exquisita sensibilidad de la espectroscopia EPR es crítica para aplicación a sistemas de bioinorganic, donde es baja la concentración de cofactores metálicos. Espectros EPR se utilizan rutinariamente en la química de bioinorganic proporcionar información directa sobre las estructuras y Estados de oxidación de los iones del metal en el corazón de las enzimas.