ספקטרוסקופיית תהודה פרמגנטית אלקטרונית (EPR)

יסודות EPR:

EPR היא טכניקה ספקטרוסקופית הנשענת על תופעות פיזיות דומות כמו ספקטרוסקופיית תהודה מגנטית גרעינית (NMR). בעוד NMR מודד מעברי ספין גרעיניים, EPR מודד מעברי ספין אלקטרונים. EPR משמש בעיקר לחקר מולקולות פרמגנטיות, שהן מולקולות עם אלקטרונים לא מתופסים. זכור כי לאלקטרון יש מספר קוונטי ספין, s = 1/2, אשר יש רכיבים מגנטיים m_s = 1/2 ו m_s = -1/2. בהיעדר שדה מגנטי, האנרגיה של שני מצבי _{m s} שקולה. עם זאת, בנוכחות שדה מגנטי מיושם (B₀), הרגע המגנטי של האלקטרון מתיישר עם השדה המגנטי המיושם, וכתוצאה מכך, מצבי m_s הופכים ללא מנוונים (איור 1). הפרש האנרגיה בין מצב m_s תלוי בעוצמת השדה המגנטי (משוואה 1). זה נקרא אפקט זימן.

E = m₂g_eμ_{BB 0}     (משוואה 1)

כאשר g_e הוא g-factor,שהוא 2.0023 עבור אלקטרון חופשי μ_B הוא מגנטון בוהר.

בשדה מגנטי נתון, B₀, הפרש האנרגיה בין שני מצבי m_s ניתן על ידי משוואה 2.

ΔE = E_1/2 — E_-1/2 = g_eμ_B0 = hυ (משוואה 2)

אלקטרון נע בין שני _{מצבים של}מ'עם פליטה או ספיגה של פוטון עם אנרגיה ΔE =hυ. משוואה 2 חלה על אלקטרון יחיד, חופשי. עם זאת, בדומה לאופן שבו השינוי הכימי ^{ב- 1}H NMR תלוי בסביבה הכימית של אטום H, אלקטרונים בתוך מולקולות אינם מתנהגים באותו אופן כמו אלקטרון מבודד. שיפוע השדה החשמלי של המולקולה ישפיע על השדה המגנטי היעיל, שניתן על ידי משוואה 3.

B_eff = B₀(1   — σ) (משוואה 3)

כאשר σ הוא ההשפעה של שדות מקומיים, אשר יכול להיות ערך חיובי או שלילי.

חיבור משוואה 3 למשוואה 2, אנו יכולים להגדיר את גורם gעבור אלקטרון לא משוחזר במולקולה נתונה כ- g = g _e(1 - σ), המפשט את המשוואה הכוללת ל:

hυ = gμ_B0(משוואה 4)

במהלך ניסוי EPR, התדירות נסחפת, בדרך כלל באזור המיקרוגל הנע בין 9,000-10,000 MHz, והשדה מוחזק קבוע בסביבות 0.35 T, ומאפשר חישוב של g. קביעת g ניסיונית באמצעות EPR מספקת מידע על המבנה האלקטרוני של מולקולה פרמגנטית.

איור 1. פיצול של מצבי רגע מגנטי, m_s, בנוכחות שדה מגנטי.

יישום EPR:

בניסוי זה, נשתמש בספקטרוסקופיית EPR כדי לחקור את הכימיה של נוגדי חמצון. O₂, המהווה ~ 21% מהאטמוספירה של כדור הארץ, הוא חמצון חזק. למרות הפוטנציאל שלו לפעול כחמצון, O₂ הוא שלישיית מצב קרקע ולכן מגיב רק די לאט עם רוב המולקולות האורגניות. תגובה חשובה אחת, אם כי לעתים קרובות לא רצויה, בתיווך O₂ היא autoxidation. בכימיה autoxidation, O₂ יוזם תהליכי שרשרת רדיקלית, אשר יכול לצרוך במהירות מולקולות אורגניות. איור 2 ממחיש את ההסתה האוטומטית הנפוצה, שבה אלדהידים מחומצנים לחומצות קרבוקסיליות.

מניעת כימיית autoxidation חשוב כדי למנוע פירוק של חומרים אורגניים נפוצים רבים, כגון פלסטיק, ושדה גדול התפתח סביב זיהוי נוגדי חמצון יעילים כדי לעכב autoxidation. מנגנון אחד שבאמצעותו נוגדי חמצון יכולים לתפקד הוא על ידי תגובה עם המתווכים הרדיקליים כדי לעכב תהליכי שרשרת רדיקליים. מכיוון שלמינים קיצוניים יש ספינים לא מתורבתים, EPR הוא כלי בעל ערך להבנת הכימיה של נוגדי חמצון. בניסוי זה, נשתמש בספקטרוסקופיית EPR כדי לחקור את תפקידו של BHT כנוגד חמצון באוטוקסידיקציה של אלדהידים אליפטיים.

איור 2. התקסמות האוטומטית של אלדהיד מתקדמת באמצעות מנגנון שרשרת רדיקלי.

ההסתה האוטומטית של בוטירלדהיד מעניקה חומצה בוטירית. ספקטרום ¹H NMR שהתקבל מהתגובה שבוצעה בשלב 1 מראה את היעדר תהודה C-H אלדהידית ואת נוכחות התהודה הצפויה מחומצה בוטירית. לעומת זאת, NMR המתקבל מתערובת התגובה בשלב 2 (עם תוספת BHT) מציג אותות התואמים עם butyraldehyde, ללא חומצה בוטירית נוכח. מנתונים אלה, אנו מתבוננים בבוטירלדהיד שימש כנוגד חמצון ב- autoxidation aldehyde.

התפקיד של BHT בעיכוב אותחידציה אוטומטית אלדהיד מואר על ידי ספקטרום EPR המתקבל של BHT ושל BHT הוסיף תגובת autoxidation aldehyde. BHT היא מולקולה אורגנית דימגנטית, כלומר אין אלקטרונים לא מתואמים. בהתאם לכך, ספקטרום EPR של BHT אינו מציג אותות. לעומת זאת, ספקטרום EPR של תגובת ה- autoxidation שבה נוספה BHT מציג תבנית חזקה בעלת ארבע שורות, התואמת לקיצוני אורגני. ספקטרום זה מתעורר מכיוון שהקשר O-H של BHT חלש ובנוכחות רדיקלים שנוצרו במהלך autoxidation, העברת H-אטומים מ- BHT מרווה את מנגנון השרשרת הרדיקלי ומייצרת רדיקל יציב ומרוכז O.

בניסוי זה, חקרנו את תפקידם של נוגדי חמצון בעיכוב הכימיה של autoxidation. בדקנו את מנגנון העיכוב באמצעות ספקטרוסקופיית EPR, אשר גילה כי BHT משמש נוגד חמצון על ידי מרווה מתווכים רדיקלי תגובתי באמצעות העברת H-אטומים.

מולקולות עם אלקטרונים לא מתווספים יכולות להיות מאתגרות לאפיין על ידי NMR ולכן ספקטרוסקופיית EPR מספקת לעתים קרובות מידע שימושי ומשלים לגבי מינים אלה. ספקטרוסקופיית EPR היא טכניקה ניסיונית המשמשת לעתים קרובות כדי לזהות ולאפיין רדיקלים אורגניים. בנוסף, מתחמים אנאורגניים פרמגנטיים מציגים לעתים קרובות ספקטרום EPR שיכול להיות מאלף לאפיון. ספקטרום EPR ניסיוני תפרט את גורם הג'ישל האלקטרון הלא משוער, המספק מידע על המבנה האלקטרוני של המרכז הפרמגנטי. בנוסף, הספינים הגרעיניים של הגרעינים עם אלקטרון לא משוער, כמו גם גרעינים שכנים משפיעים גם על הרגע המגנטי של אלקטרון, מה שמוליד פיצול נוסף של מצבי m_s וקווים מרובים בספקטרום EPR. צימוד היפרפין וסופר-היפרפין המתקבל מספק מידע נוסף על המבנה האלקטרוני של המולקולה.

בנוסף לאפיון מינים אורגניים ולא אורגניים של קליפה פתוחה, הרגישות המעודנת של ספקטרוסקופיית EPR היא קריטית ליישום למערכות ביו-אורגניות, שבהן ריכוז קופקטורים ממתכת נמוך. ספקטרום EPR משמשים באופן שגרתי בכימיה ביואורגנית כדי לספק מידע ישיר על המבנים ועל מצבי חמצון של יונים מתכת בלב אנזימים.