التحليل الطيفي للرنين المغناطيسي الإلكتروني (EPR)

الرنين المغناطيسي الإلكترون ، أو EPR ، التحليل الطيفي هو تقنية مهمة لتوصيف المركبات المغناطيسية ، مثل المركبات ذات الإلكترونات غير المزاوجة.

EPR على العديد من التطبيقات المهمة في دراسة الجذور العضوية والمجمعات غير العضوية المغناطيسية والكيمياء غير العضوية الحيوية.

سيوضح هذا الفيديو المبادئ الأساسية وراء الرنين المغناطيسي الإلكترون ، واستخدام EPR لدراسة ثنائي بوتيل هيدروكسي تولوين وسلوكه المضاد للأكسدة في أكسدة الألدهيدات الأليفاتية ، ومناقشة بعض التطبيقات.

EPR هي تقنية طيفية تستخدم لدراسة الجزيئات ذات الإلكترونات غير المزاوجة عن طريق قياس انتقالات دوران الإلكترون.

يحتوي الإلكترون على عدد كمي للدوران يساوي 1/2 ، والذي يحتوي على مكونات مغناطيسية إما +1/2 أو -1/2.

في حالة عدم وجود مجال مغناطيسي ، تكون طاقة حالتي الدوران متكافئة. ومع ذلك ، في وجود مجال مغناطيسي مطبق ، تتماشى العزم المغناطيسي للإلكترون مع المجال المغناطيسي المطبق ، وتصبح حالات الدوران غير متدهورة.

فرق الطاقة بين حالة الدوران على شدة المجال المغناطيسي. وهذا ما يسمى تأثير زيمان.

في مجال مغناطيسي معين ، يتم إعطاء فرق الطاقة بين حالتي الدوران بواسطة ΔE.

يتحرك الإلكترون بين حالتي الدوران عند انبعاث أو امتصاص فوتون بطاقة ΔE. ومع ذلك ، فإن هذه المعادلة تنطبق على إلكترون حر واحد ، ولا تأخذ في الحسبان حقيقة أن الإلكترونات داخل الجزيئات لا تتصرف بنفس الطريقة التي يتصرف بها الإلكترون المعزول.

سيؤثر تدرج المجال الكهربائي للجزيء على المجال المغناطيسي الفعال ، والذي ، إذا تم توصيله بهذه المعادلة ، يحدد عامل g للإلكترون غير المزاوج في جزيء معين في هذه المعادلة الكلية المبسطة.

أثناء تجربة EPR ، يتم اجتياح التردد ، بينما يظل المجال ثابتا ، مما يسمح بحساب عامل g الذي يوفر معلومات حول التركيب الإلكتروني للجزيء المغناطيسي.

في هذه التجربة ، يتم استخدام التحليل الطيفي EPR لدراسة مضادات الأكسدة. الأكسجين ، وهو مؤكسد قوي ، هو ثلاثة توائم في الحالة الأرضية وبالتالي يتفاعل ببطء شديد مع معظم الجزيئات العضوية. أحد ردود الفعل المهمة ، وإن كان غير مرغوب فيه في كثير من الأحيان ، بوساطة الأكسجين هو الأكسدة الذاتية ، حيث يبدأ O₂ عمليات سلسلة جذرية.

يمكن أن يؤدي ذلك إلى الاستهلاك السريع للجزيئات العضوية وتحلل العديد من المواد العضوية ، مثل البلاستيك. لذلك ، أصبح تحديد مضادات الأكسدة الفعالة لتثبيط الأكسدة التلقائية مجالا بحثيا مهما.

تتمثل إحدى الآليات التي يمكن أن تعمل بها مضادات الأكسدة في التفاعل مع المواد الوسيطة الجذرية لتثبيط عمليات السلسلة الجذرية. نظرا لأن الأنواع الجذرية لها دورات غير متزاوجة ، فإن EPR هي أداة قيمة لفهم كيمياء مضادات الأكسدة.

الآن دعونا نلقي نظرة على كيفية استخدام التحليل الطيفي EPR لاستكشاف دور ثنائي بوتيل هيدروكسي تولوين ، كمضاد للأكسدة في أوكسدة الألدهيدات الأليفاتية.

لنبدأ بأكسدة بوتيرالديهايد في حالة عدم وجود مضاد للأكسدة. باستخدام قارورة تلألؤ سعة 20 مل ، قم بإذابة 125 مل من بوتيرالديهايد و 1 مجم من CoCl₂ · 6 H₂O في 4 مل من 1،2-ثنائي كلورو الإيثان. أضف قضيب تحريك مغناطيسي وأغلق القارورة بحاجز مطاطي.

قم بتوصيل برميل حقنة بلاستيكية سعة 1 مل بقطعة قصيرة من الأنابيب المطاطية. أدخل الأنبوب المطاطي في بالون اللاتكس وثبته بشريط مطاطي وشريط كهربائي. ثم نفخ البالون بغاز الأكسجين.

أدخل إبرة البالون المملوء بالأكسجين في القارورة. أدخل إبرة ثانية من خلال الحاجز ، وقم بتطهير المحلول بغاز الأكسجين لمدة خمس دقائق. بمجرد تطهيرها ، اسحب الإبرة الثانية ، وضع القارورة على طبق تحريك ، مع تحريك التفاعل لمدة 4 ساعات في درجة حرارة الغرفة.

عند انتهاء التفاعل ، ركز الخليط باستخدام مبخر دوار. ثم جفف البقايا على خط عالي التفريغ لمدة 1 ساعة ، واحصل على ¹H-NMR في الكلوروفورم المزيل للفصيل.

الآن دعنا نقارن التفاعل إذا تم إجراؤه في وجود مضادات الأكسدة ثنائي بوتيل هيدروكسي تولوين ، أو BHT. قم بإعداد عينتين متطابقتين ، عن طريق إذابة CoCl₂ · 6H₂O وبوتيرالديهايد في 1،2-ثنائي كلورو الإيثان باستخدام قارورة تلألؤ سعة 20 مل. أضف مضادات الأكسدة إلى كل محلول ، متبوعا بشريط تحريك ، وقم بتركيب كل قارورة بحاجز مطاطي.

على غرار التفاعل السابق ، استخدم بالونا لتطهير المحلول في القوارير بالأكسجين ، ثم حرك التفاعلات تحت غلاف الأكسجين لمدة 4 ساعات في درجة حرارة الغرفة. بعد 4 ساعات ، ركز أحد الخلطات باستخدام مبخر دوار ل ¹H-NMR. جفف العينة على فراغ عال ، واستخدم هذه العينة للحصول على ¹H-NMR. سيتم استخدام التفاعل الآخر ل EPR.

قم بتشغيل مطياف EPR واترك الجهاز يسخن لمدة 30 دقيقة. على الكمبيوتر ، قم بضبط التجويف الفارغ لأداة EPR للتأكد من عدم وجود ملوثات في الجهاز.

قم بإعداد اكتساب EPR باستخدام المعلمات المذكورة في النص. قم بقياس طيف EPR لأنبوب EPR فارغ للتأكد من عدم وجود إشارات خلفية من أنبوب EPR أو مرنان الأداة.

بعد ذلك ، استخدم BHT وقم بإعداد محلول في 1،2-ثنائي كلورو الإيثان في صندوق قفازات مملوء ب N₂. انقل 0.5 مل من المحلول إلى أنبوب EPR مقاس 2 مم ، وقم بتغطيته بغطاء أنبوب بلاستيكي EPR. قم بقياس طيف EPR ل BHT باستخدام معلمات الاستحواذ التي تم إعدادها مسبقا.

الآن ، استخدم التفاعل المحتوي على BHT وقم بإعداد محلول EPR باتباع نفس الإجراء المتبع لعينة BHT. الحصول على طيف EPR باستخدام معلمات الاستحواذ التي تم إعدادها مسبقا.

الآن ، دعنا نقارن التفاعلات مع وبدون مضادات الأكسدة BHT باستخدام بيانات الرنين المغناطيسي النووي و EPR.

يوفر الأكسدة الذاتية للبوتيريالدهيد حمض الزبد. يظهر طيف ¹H-NMR الذي تم الحصول عليه من التفاعل عدم وجود رنين ألدهيدي C-H ووجود الرنين المتوقع من حمض الزبد.

في المقابل ، يعرض الرنين المغناطيسي النووي الذي تم الحصول عليه من خليط التفاعل مع BHT المضاف إشارات متوافقة مع بوتيرالديهايد ، مع عدم وجود حمض الزبد. من هذه البيانات ، تبين أن BHT قد عمل كمضاد للأكسدة في أكسدة الألدهيد.

يضيء دور BHT في تثبيط أكسدة الألدهيد من خلال أطياف EPR التي تم الحصول عليها من BHT و BHT المضافة إلى تفاعل أكسدة الألدهيد.

BHT هو جزيء عضوي مغناطيسي ، مما يعني أنه لا توجد إلكترونات غير متزاوجة. وفقا لذلك ، لا يعرض طيف EPR ل BHT أي إشارات. في المقابل ، فإن طيف EPR لتفاعل الأكسدة الذاتية الذي تمت إضافة BHT فيه يعرض نمطا قويا من أربعة أسطر ، يتوافق مع الجذر العضوي.

ينشأ هذا الطيف لأن رابطة O-H ل BHT ضعيفة. في وجود الجذور المتولدة أثناء الأكسدة الذاتية ، فإن نقل الهيدروجين من BHT يروي آلية السلسلة الجذرية ويولد جذريا مستقرا يركز على الأكسجين.

التحليل الطيفي بالرنين المغنطيسي الإلكترون هو طريقة تحليلية ، والتي غالبا ما تستخدم في الكيمياء العضوية وغير العضوية للحصول على معلومات إضافية ، بصرف النظر عن الطرق الشائعة مثل التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي أو الأشعة تحت الحمراء.

على سبيل المثال ، يمكن استخدام EPR لدراسة الأنظمة البيولوجية مثل التمثيل الغذائي للبكتيريا الزرقاء. يتم تعليق البكتيريا الزرقاء في محلول يحتوي على جذور التريتيل ، وتوضع في مسبار التصوير. يتم تشعيع العينة بالضوء وقياس التركيز الجذري فيما يتعلق بالوقت.

أظهرت هذه الدراسة أن تركيز التريتيل انخفض تحت الضوء ، لكنه ظل ثابتا في الظلام ، مما يدل على أن نشاط التمثيل الغذائي يعتمد على الضوء.

يمكن أن يكون من الصعب توصيف الجزيئات ذات الإلكترونات غير المزاوجة بالرنين المغناطيسي النووي فقط ، وبالتالي يستخدم التحليل الطيفي EPR بشكل متكرر لتحليل الجذور العضوية بمزيد من التفصيل. تحدد أطياف EPR التجريبية عامل g للإلكترون غير المزاوج ، مما يوفر معلومات حول التركيب الإلكتروني للمركز المغناطيسي.

علاوة على ذلك ، فإن الدوران النووي للنوى مع الإلكترون غير المزاوج ، وكذلك النوى المجاورة ، تؤثر على العزم المغناطيسي للإلكترون ، مما يؤدي إلى انقسام إضافي لحالات الدوران والخطوط المتعددة في طيف EPR. يوفر الاقتران فائق الدقة وفائق الدقة الناتج مزيدا من المعلومات حول التركيب الإلكتروني للجزيء

لقد شاهدت للتو مقدمة JoVE للتحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي للإلكترون. يجب أن تكون الآن على دراية بمبادئ EPR ، والأكسدة الذاتية ، وتفاعل الأكسدة الذاتية ، والتطبيقات المختلفة للتحليل الطيفي EPR. كما هو الحال دائما ، شكرا على المشاهدة!