Spectroscopie par résonance paramagnétique électronique (RPE)

Source : David C. Powers, Tamara M. pouvoirs, Texas A & M

Dans cette vidéo, nous allons apprendre les principes de base derrière la résonance paramagnétique électronique (RPE). Nous utiliserons la spectroscopie RPE pour étudier comment dibutylhydroxy toluène (BHT) se comporte comme un antioxydant dans l’autoxydation des aldéhydes aliphatiques.

Principes fondamentaux de l’EPR :

EPR est une technique spectroscopique qui s’appuie sur des phénomènes physiques similaires comme la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN). Tandis que NMR mesure transitions de spin nucléaire, EPR mesure transitions de spin des électrons. EPR est principalement utilisé pour l’étude des molécules paramagnétiques, qui sont des molécules avec des électrons non appariés. Rappelons qu’un électron possède un nombre quantique de spin, s = ½, qui a des composants magnétiques m_s = ½ et m_s = - ½. En l’absence d’un champ magnétique, l’énergie des deux États m_s sont équivalentes. Toutefois, en présence d’un champ magnétique appliqué (B,₀), le moment magnétique de l’électron s’aligne avec le champ magnétique appliqué et, en conséquence, les États de m_s devenus non dégénéré (Figure 1). La différence d’énergie entre l’état de m_s repose sur la force du champ magnétique (équation 1). C’est ce qu’on appelle l’effet Zeeman.

E = m₂g_eμ_BB₀ (équation 1)

où g_e est le g-facteur, qui est 2.0023 pour un électron libre et µ_B est le magnéton de Bohr.

À un champ magnétique donné, B₀, la différence d’énergie entre les deux m_s États est donnée par l’équation 2.

ΔE = E_½ — E_-½ = g_eμ_BB₀ = hυ (équation 2)

Un électron se déplace entre deux Etats sur l’émission ou l’absorption d’un photon avec énergie Δ m_s E = hυ. équation 2 s’applique à un seul, électrons libres. Cependant, semblable à la façon dont le déplacement chimique en ¹H RMN dépend de l’environnement chimique de l’atome H, électrons dans les molécules ne se comportent pas de la même façon qu’un électron isolé. Le gradient de champ électrique de la molécule va influencer le champ magnétique efficace, donné par l’équation 3.

B_eff = B₀(1 — σ) (équation 3)

où σ est l’effet des champs les, ce qui peut être une valeur positive ou négative.

Brancher l’équation 3 dans l’équation 2, nous pouvons définir le g-facteur pour un électron non apparié dans une molécule donnée que g = g_e(1 - σ), ce qui simplifie l’équation globale à :

hυ = gμ_BB₀ (équation 4)

Pendant l’expérience EPR, la fréquence est balayée, plus couramment dans la région de micro-ondes allant de 9 000-10 000 MHz, et le champ est maintenu constant à environ 0,35 T, permettant le calcul de g. Déterminer expérimentalement g à l’aide d’EPR fournit des informations sur la structure électronique d’une molécule paramagnétique.

Figure 1. Fractionnement des États de moment magnétique, m,_s, en présence d’un champ magnétique.

Application de l’EPR :

Dans cette expérience, nous allons utiliser la spectroscopie RPE pour étudier la chimie des antioxydants. O₂, qui comprend ~ 21 % de l’atmosphère terrestre, est un oxydant puissant. Malgré son potentiel d’agir comme un oxydant, O₂ est un triplet fondamental et donc seulement réagit très lentement avec des molécules organiques plus. Un important, bien que souvent indésirés, réaction médiée par O₂ est l’autoxydation. En chimie de l’autoxydation, O₂ initie des processus radicalaire en chaîne qui peuvent consommer rapidement les molécules organiques. La figure 2 illustre une autooxydation commune, dans laquelle les aldéhydes sont oxydés en acides carboxyliques.

Prévenir l’autoxydation chimie est important d’éviter la décomposition de nombreux matériaux organiques communs, tels que les plastiques, et un grand champ s’est développé autour d’identifier des antioxydants efficaces pour inhiber l’autoxydation. Un mécanisme par lequel antioxydants peut fonctionner est en réagissant avec les radicaux intermédiaires pour inhiber les processus radicalaire en chaîne. Parce que les espèces radicalaires ont non appariées de spins, EPR est un outil précieux pour la compréhension de la chimie des antioxydants. Dans cette expérience, nous allons utiliser la spectroscopie RPE à examiner le rôle de BHT comme antioxydant dans l’autoxydation des aldéhydes aliphatiques.

Figure 2. Aldéhyde autoxydation procède par un mécanisme radicalaire en chaîne.

1. l’auto-oxydation du butyraldéhyde

1. Préparer une solution de butyraldéhyde (100 mg) et CoCl₂·6H₂O (1 mg) en 1, 2-dichloroéthane (DCE) (4 mL) dans un flacon de 20 mL à scintillation. Ajouter une barre magnétique remuer et remettre le flacon avec un septum en caoutchouc.
2. Fixer le Canon d’une seringue en plastique de 1 mL sur un morceau de tuyau en caoutchouc. Insérez le tube de caoutchouc dans un ballon de latex et fixer le ballon dans le tube avec un élastique et ruban isolant. Gonfler un ballon de latex avec O₂.
3. Insérez l’aiguille du ballon₂ O dans le flacon de réaction. Introduisez une deuxième aiguille dans le septum et purger l’espace de la cuve de réaction avec O₂.
4. À l’aide d’une plaque de remuer, remuer la réaction à la température ambiante pendant 4 h sous une atmosphère de₂ O.
5. Concentrer le mélange réactionnel à l’aide d’un évaporateur rotatif et prendre un spectre de RMN H ¹du résidu huileux qui en résulte dans CDCl₃.

2. à l’aide de BHT comme antioxydant pour l’autoxydation du butyraldéhyde

Mis en place deux flacons comme décrit ci-dessous. L’un sera utilisé pour analyser la distribution des produits et un sera utilisé à l’étape 3 pour spectroscopie RPE.

1. Préparer une solution de butyraldéhyde (100 mg) et CoCl₂·6H₂O (1 mg) en DCE (4 mL) dans un flacon de 20 mL à scintillation. Ajouter BHT (10 mg) à la solution. Ajouter une barre magnétique remuer et remettre le flacon avec un septum en caoutchouc.
2. Fixer le Canon d’une seringue en plastique de 1 mL sur un morceau de tuyau en caoutchouc. Insérez le tube de caoutchouc dans un ballon de latex et fixer le ballon dans le tube avec un élastique et ruban isolant. Gonfler un ballon de latex avec O₂.
3. Insérez l’aiguille du ballon₂ O dans le flacon de réaction. Introduisez une deuxième aiguille dans le septum et purger l’espace de la cuve de réaction avec O₂.
4. À l’aide d’une plaque de remuer, remuer la réaction à la température ambiante pendant 4 h sous une atmosphère de₂ O.
5. Concentrer le mélange réactionnel à l’aide d’un évaporateur rotatif et prendre un spectre de RMN H ¹du résidu huileux qui en résulte dans CDCl₃.

3. mesure des spectres rpe

1. Allumez le spectromètre EPR et laissez l’appareil chauffer pendant 30 min. Set up une acquisition EPR avec les paramètres suivants : champ Centre 3 345 G, largeur de balayage 100 G, balayage temps 55 s, temps constants 10 ms, mW de puissance de 5 MW, modulation 100kHz et la modulation d’amplitude 1 G.
2. Mesurer un spectre RPE d’un tube vide d’EPR pour s’assurer qu’il n’y a aucun signal de fond depuis le tube de l’EPR ou le résonateur de l’instrument.
3. Préparer une solution de BHT dans DCE dans un N₂-remplis la boîte à gants. Transférer 0,5 mL de la solution dans un tube de RPE et mesurer le spectre RPE du BHT en utilisant les paramètres d’acquisition mis en place à l’étape 3.1.
4. Transférer 0,5 mL de la solution de réaction BHT-ajout de l’étape 2 à un tube d’EPR et acquérir et spectre RPE en utilisant les paramètres d’acquisition mis en place à l’étape 3.1.

L’auto-oxydation du butyraldéhyde fournit l’acide butyrique. Le spectre de RMN H ¹lors de la réaction réalisée à l’étape 1 indique l’absence d’une résonance aldéhydique de C-H et la présence des résonances attendues d’acide butyrique. En revanche, la RMN obtenue du mélange réactionnel à l’étape 2 (avec ajout BHT) affiche des signaux compatibles avec butyraldéhyde, sans acide butyrique présents. Partir de ces données, on observe que le butyraldéhyde a servi comme un antioxydant en aldéhyde autoxydation.

Le rôle de BHT dans l’inhibition de l’autoxydation aldéhyde est éclairé par les spectres rpe a obtenu de BHT et de BHT, ajouté à la réaction d’autoxydation aldéhyde. BHT est une molécule organique diamagnétique, ce qui signifie qu’il n’y a pas d’électrons non appariés. En conséquence, le spectre RPE du BHT n’affiche aucun signal. En revanche, le spectre RPE de la réaction d’autoxydation dans lequel BHT a été ajouté affiche un solide modèle à doublé quatre, conforme à un radical organique. Cette partie du spectre se pose parce que la liaison O-H de BHT est faible et en présence de radicaux générés au cours de l’autoxydation, transfert d’atome d’H de BHT assouvit le mécanisme radicalaire en chaîne et génère un radical stable axée sur l’O.

Dans cette expérience, nous avons exploré le rôle des antioxydants dans l’inhibition de l’autoxydation chimie. Nous avons sondé le mécanisme d’inhibition à l’aide de la spectroscopie RPE, qui a révélé que BHT sert en tant qu’antioxydant par trempe réactifs intermédiaires radicalaires via transfert d’un atome H.

Molécules avec des électrons non appariés peuvent être difficiles à caractériser par RMN et donc spectroscopie RPE offrent souvent des informations utiles et complémentaires au sujet de ces espèces. Spectroscopie RPE est une technique expérimentale qui est fréquemment utilisée pour détecter et caractériser des radicaux organiques. En outre, paramagnétiques complexes inorganiques affichent aussi fréquemment des spectres rpe qui peuvent être instructifs pour la caractérisation. Spectres rpe expérimentaux délimitent le g-facteur de l’électron non apparié, qui fournit des informations sur la structure électronique du centre paramagnétique. En outre, les spins nucléaires de noyaux possédant un électron non apparié, mais aussi les noyaux voisins également influencent le moment magnétique d’un électron, donnant lieu à un fractionnement supplémentaire des États m_s et de plusieurs lignes dans le spectre RPE. La résultante hyperfin et super-hyperfine couplage fournit davantage d’informations sur la structure électronique de la molécule.

En plus de décrire les espèces organiques et inorganiques de couches ouvertes, la sensibilité exquise de spectroscopie RPE est essentielle à l’application aux systèmes bioinorganique, où la concentration de cofacteurs métalliques est faible. Spectres rpe sont systématiquement utilisés en chimie bioinorganique pour fournir des informations directes sur les structures et les États d’oxydation des ions métalliques au cœur des enzymes.