来源: 大卫 c 力量, 塔玛拉 m. 力量, 得克萨斯 A 和 #38;
在本视频中, 我们将学习电子顺磁共振 (EPR) 背后的基本原理。我们将使用 EPR 光谱研究 dibutylhydroxy 甲苯 (BHT) 在脂肪族醛氧化中的抗氧化剂的行为。
EPR 的基本原理:
EPR 是一种光谱技术, 它依赖于类似的物理现象, 如核磁共振 (NMR) 光谱学。当核磁共振测量核自旋跃迁时, EPR 测量电子自旋跃迁。EPR 主要用于研究顺磁性分子, 它们是具有不成对电子的分子。召回一个电子有一个自旋量子数, s = ½, 它有磁性组分ms = ½并且ms =-½。在没有磁场的情况下, 两个m 的状态的能量是等价的。然而, 在外加磁场 (B0) 的存在下, 电子的磁矩与外加磁场对齐, 因此, ms 状态变为退化 (图 1)。ms 状态之间的能量差取决于磁场的强度 (公式 1)。这就是所谓的塞曼效应。
e = m2geμbb0 (公式 1)
其中ge 是g因子, 它是电子的 2.0023, 而µB是玻尔磁。
在给定的磁场 ( B0) 中, 两个 ms状态之间的能量差由公式 2给出。
δ = e½ -e-½ = geμbb0 = hυ (公式 2)
一个电子在两个ms 的状态之间移动, 其发射或吸收的光子与能量ΔE = h节能.公式 2适用于单个的电子。然而, 与在1h 核磁共振中化学位移的方式相类似, 在氢原子的化学环境中, 分子内的电子与孤立电子的行为方式不同。该分子的电场梯度将影响有效磁场, 由方程 3给出。
b伊芙= b0(1-σ) (公式 3)
其中σ是局部场的效应, 它可以是正或负的值。
将公式 3插入公式 2中, 我们可以将给定分子中的未配对电子的g因子定义为g = ge(1-σ), 从而简化了整个等式:
hυ = gμbb0 (公式 4)
在 EPR 实验中, 频率被扫, 最常见的是在微波区域范围从900万兆赫, 和字段保持恒定在大约 0.35 T, 允许计算g。通过实验确定使用 EPR 的g提供有关顺磁性分子的电子结构的信息。
图 1.磁矩的分裂状态, ms, 在磁场的存在。
EPR 的应用:
在本实验中, 我们将使用 EPR 光谱学来研究抗氧化剂的化学成分。O2, 包括地球大气层的 21%, 是一种强氧化剂。尽管它有可能作为氧化剂, O2是基态三连音, 因此只与大多数有机分子相当缓慢地反应。一个重要的, 但通常不受欢迎的, 由 O2介导的反应是氧化。在氧化化学中, O2启动了可快速消耗有机分子的自由基链过程。图 2说明了一种常见的氧化, 其中醛类被氧化为羧酸。
防止氧化化学是很重要的, 以防止分解许多常见的有机材料, 如塑料, 和一个大的领域已开发周围确定有效的抗氧化剂, 以抑制氧化。抗氧化剂能起作用的一种机制是通过与激进中间体的反应来抑制自由基链过程。由于自由基物种具有不成对的旋转, EPR 是理解抗氧化剂化学的宝贵工具。在本实验中, 我们将使用 EPR 光谱学来探讨 BHT 作为抗氧化剂在脂肪族醛氧化中的作用。
图 2.醛氧化通过一个根本链机制进行。
1. 醛的氧化
2. 用 BHT 作为醛氧化的抗氧化剂
设置两个小瓶如下所述。其中一个将用于分析产品分布, 一个将用于 EPR 光谱学的步骤3。
3. 测量 EPR 谱
电子顺磁共振, 或 EPR, 光谱学是一个重要的技术来表征顺磁性化合物, 如化合物与不成对电子。
EPR 在有机自由基、顺磁性无机配合物和无机化学的研究中有着重要的应用。
这段视频将说明电子顺磁共振的基本原理, 利用 EPR 研究 dibutylhydroxy 甲苯及其在脂肪族醛氧化中的抗氧化行为, 并讨论一些应用。
EPR 是一种光谱技术, 用于通过测量电子自旋跃迁来研究未配对电子的分子。
一个电子有一个自旋量子数 1/2, 它有磁性组分的二者之一 + 1/2 或-1/2。
在没有磁场的情况下, 两个自旋态的能量是等价的。然而, 在外加磁场的存在下, 电子的磁矩与外加磁场相对应, 自旋态变为退化。
自旋态之间的能量差取决于磁场的强度。这就是所谓的塞曼效应。
在给定的磁场中, 两个自旋态之间的能量差由δ给出。
电子在两个自旋状态之间在光子的发射或吸收之间移动, 能量δ。然而, 这个等式适用于一个单一的, 电子, 并且不解释事实, 在分子之内的电子不行为与一个被隔绝的电子一样的方式。
该分子的电场梯度将影响有效磁场, 如果插入到这个方程中, 在这个简化的整体方程中, 定义了给定分子中的不成对电子的g因子。
在 EPR 实验中, 频率被扫, 而字段保持不变, 允许计算g 因子, 提供有关顺磁性分子电子结构的信息。
本实验采用 EPR 光谱法研究氧化剂。氧是一种强氧化剂, 是一种基态三重, 因此与大多数有机分子反应相当缓慢。一个重要的, 虽然经常是不受欢迎的, 由氧介导的反应是氧化, 其中 O2发起激进的链过程。
这可能导致有机分子的快速消耗和许多有机材料的分解, 例如塑料。因此, 确定有效的抗氧化剂抑制氧化已成为一个重要的研究领域。
抗氧化剂能起作用的一种机制是通过与激进中间体的反应来抑制自由基链过程。由于自由基物种具有不成对的旋转, EPR 是理解抗氧化剂化学的宝贵工具。
现在, 让我们来看看 EPR 光谱学是如何被用来探讨 dibutylhydroxy 甲苯的作用, 作为一种抗氧化剂的氧化脂肪族醛。
让我们从醛的氧化开始, 因为没有抗氧化剂。使用20毫升闪烁小瓶, 溶解125毫升的醛和1毫克的 CoCl2· 6H2O 在4毫升的 12-氯乙烷。加入磁性搅拌棒, 用橡皮隔膜封瓶。
将1毫升塑料注射器的枪管连接到一根短橡皮管上。将橡胶管插入乳胶气球, 用橡皮筋和电子胶带固定。
将充氧气球的针插入瓶子里。插入第二针通过隔膜, 并清除与氧气气体的解决方案五分钟。一旦清除, 撤回第二针, 并把瓶子放在一个搅拌板, 搅拌反应在室温下4小时。
当反应完成后, 用旋转蒸发器将混合物浓缩。然后, 在真空线上烘干残留物1小时,并在氘氯仿中获取一个1H-NMR。
现在, 让我们比较的反应, 如果进行了在存在的抗氧化剂 dibutylhydroxy 甲苯, 或 BHT。准备两个相同的样品, 通过溶解 CoCl2· 6H2O 和醛在 12-二氯乙烷使用20毫升闪烁瓶。将抗氧化剂添加到每个溶液中, 然后加入搅拌棒, 并将每个小瓶与橡胶隔膜配合使用。
与先前的反应类似, 使用气球在氧气瓶中清除溶液, 然后在氧气气氛下在室温下搅动4小时的反应。4小时后, 用旋转蒸发器将其中一种混合物浓缩为1H 核磁共振。在高真空干燥样品, 并使用此样本获得一个1H 核磁共振。另一种反应将用于 EPR。
打开 EPR 光谱仪, 让仪器预热30分钟。在计算机上, 调整 EPR 仪器的空腔, 确保仪器中没有杂质。
使用文本中所述的参数设置 EPR 获取。测量空 epr 管的 epr 频谱, 以确保 epr 管或仪器谐振器没有背景信号。
然后, 在一个 N2填充的手套中使用 BHT 并在 12-氯乙烷中准备解决方案。将溶液的0.5 毫升转化为 2 mm epr 管, 用塑料 epr 管帽盖在上面。利用先前建立的采集参数测量 BHT 的 EPR 谱。
现在, 使用含有反应的 BHT, 并按照与 BHT 样品相同的程序制备 EPR 溶液。使用先前设置的采集参数获取 EPR 频谱。
现在, 让我们比较的反应和没有 BHT 抗氧化剂使用核磁共振和 EPR 数据。
醛的氧化提供丁酸。从该反应得到的1h 核磁共振谱表明, 缺乏醛的 C h 共振和存在的共振预期的丁酸。
相反, 从反应混合物中获得的核磁共振与添加的 BHT 显示信号与醛一致, 不存在丁酸。从这些数据中, 我们发现 BHT 在醛氧化中起到了抗氧化剂的作用。
BHT 在抑制醛氧化中的作用是由 BHT 的 EPR 谱和 BHT 添加到醛氧化反应中得到的。
BHT 是一个磁性的有机分子, 这意味着没有不成对的电子。因此, BHT 的 EPR 频谱不显示信号。相反, 氧化反应的 EPR 谱在其中添加了 BHT, 显示了一个强的四内衬模式, 与一个有机的自由基相一致。
这是因为 BHT 的 O H 键较弱。在氧化期间产生的自由基中, BHT 的氢转移解渴了自由基链机制, 产生了稳定的氧中心基。
电子顺磁共振波谱是一种分析方法, 它通常用于有机和无机化学, 以获得更多的信息, 除了一般的方法, 如核磁共振或 IR 光谱学。
例如, EPR 可用于研究生物系统, 如蓝藻的新陈代谢。蓝藻悬浮在含有三苯基的溶液中, 并放置在成像探头中。样品是光照射和测量的自由基浓度与时间有关。
研究表明, trytil 浓度在光照下下降, 但在黑暗中保持不变, 表明代谢活动是光依赖性的。
具有不成对电子的分子只能具有核磁共振的特征, 因此, EPR 光谱学经常被用于更详细地分析有机自由基。实验 EPR 谱描述了未配对电子的g因子, 提供了顺磁中心电子结构的信息。
此外, 原子核与不成对电子的核旋转, 以及相邻的原子核, 影响了电子的磁矩, 从而引起了 EPR 谱中的自旋态和多条线的附加分裂。由此产生的超和 super-hyperfine 耦合提供了有关分子电子结构的进一步信息
你刚刚看了朱庇特的电子顺磁共振波谱的介绍。你现在应该熟悉 epr、氧化、氧化反应的原理, 以及 epr 光谱学的各种应用。一如既往, 感谢收看!
醛的氧化提供丁酸。在步骤1中所进行的反应所得到的1H 核磁共振谱表明, 缺乏醛的 C-h 共振和存在的共振预期的丁酸。相比之下, 从步骤 2 (加 BHT) 的反应混合物中得到的核磁共振显示的信号与醛一致, 没有丁酸存在。从这些数据中, 我们观察到醛在醛氧化中起了抗氧化剂的作用。
BHT 在抑制醛氧化中的作用是由 BHT 的 EPR 谱和 BHT 添加到醛氧化反应中得到的。BHT 是一个磁性的有机分子, 这意味着没有不成对的电子。因此, BHT 的 EPR 频谱不显示信号。相反, 氧化反应的 EPR 谱在其中添加了 BHT, 显示了一个强的四内衬模式, 与一个有机的自由基相一致。这一光谱的产生是因为 BHT 的 o H 键较弱, 并且在氧化过程中产生的自由基, H 原子从 BHT 解渴转移到自由基链机制, 并产生一个稳定的 o 型中心基。
在这个实验中, 我们探讨了抗氧化剂在抑制氧化化学中的作用。本文探讨了利用 EPR 光谱进行抑制的机理, 揭示了 BHT 在氢氧化反应中的作用是通过 H 原子转移淬火活性基中间体。
具有不成对电子的分子可能具有核磁共振的特征, 因此 EPR 光谱学经常提供有关这些物种的有用和互补的信息。EPR 光谱法是一种常用的检测和表征有机自由基的实验技术。此外, 顺磁性无机配合物还经常显示 EPR 谱, 这对表征具有指导意义。实验 EPR 谱描述了未配对电子的g因子, 它提供了关于顺磁中心电子结构的信息。此外, 具有不成对电子的原子核的核自旋以及相邻的原子核也会影响电子的磁矩, 从而导致在 EPR 频谱中产生附加的ms 状态和多条线的分裂。由此产生的超和 super-hyperfine 耦合提供了有关分子电子结构的进一步信息。
除了表征 open-shell 的有机和无机物种外, EPR 光谱的细腻灵敏度对无机系统的应用至关重要, 在这种体系中, 金属因子的浓度较低。EPR 光谱在无机化学中经常被用于提供关于金属离子在酶的心脏的结构和氧化状态的直接信息。
Electron paramagnetic resonance, or EPR, spectroscopy is an important technique for the characterization of paramagnetic compounds, such as compounds with unpaired electrons.
EPR has many important applications in the study of organic radicals, paramagnetic inorganic complexes, and bioinorganic chemistry.
This video will illustrate the basic principles behind Electron Paramagnetic Resonance, the use of EPR to study dibutylhydroxy toluene and its antioxidant behavior in the autoxidation of aliphatic aldehydes, and discuss a few applications.
EPR is a spectroscopic technique that is used to study molecules with unpaired electrons by measuring electron spin transitions.
An electron has a spin quantum number of 1/2, which has magnetic components of either +1/2 or -1/2.
In the absence of a magnetic field, the energy of the two spin states is equivalent. However, in the presence of an applied magnetic field, the magnetic moment of the electron aligns with the applied magnetic field and, the spin states become non-degenerate.
The energy difference between the spin state is dependent on the strength of the magnetic field. This is called the Zeeman effect.
At a given magnetic field, the energy difference between the two spin states is given by ΔE.
An electron moves between the two spin states upon emission or absorption of a photon with energy ΔE. However, this equation applies to a single, free-electron, and does not account for the fact, that electrons within molecules do not behave in the same way as an isolated electron does.
The electric field gradient of the molecule will influence the effective magnetic field, which, if plugged into this equation, defines the g-factor for an unpaired electron in a given molecule in this simplified overall equation.
During an EPR experiment, the frequency is swept, while the field is held constant, allowing for the calculation of the g-factor providing information about the electronic structure of a paramagnetic molecule.
In this experiment, EPR spectroscopy is used to study anti-oxidants. Oxygen, which is a strong oxidant, is a ground state triplet and thus reacts quite slowly with most organic molecules. One important, though often undesired, reaction mediated by oxygen is autoxidation, where O2 initiates radical chain processes.
This can lead to quick consumption of organic molecules and decomposition of many organic materials, such as plastics. Therefore, identifying effective antioxidants to inhibit autoxidation has become an important research field.
One mechanism by which antioxidants can function is by reacting with the radical intermediates to inhibit radical chain processes. Because radical species have unpaired spins, EPR is a valuable tool for understanding the chemistry of antioxidants.
Now let’s look at how EPR spectroscopy is used to explore the role of dibutylhydroxy toluene, as an antioxidant in the autoxidation of aliphatic aldehydes.
Let’s start with the autoxidation of butyraldehyde in absence of an antioxidant. Using a 20 mL scintillation vial, dissolve 125 mL of butyraldehyde and 1 mg of CoCl2·6H2O in 4 mL of 1,2-dichloroethane. Add a magnetic stir bar and seal the vial with a rubber septum.
Attach the barrel of a 1 mL plastic syringe to a short piece of rubber tubing. Insert the rubber tubing into a latex balloon and secure with a rubber band and electrical tape. Then inflate the balloon with oxygen gas.
Insert the needle of the oxygen filled balloon into the vial. Insert a second needle through the septum, and purge the solution with oxygen gas for five minutes. Once purged, withdraw the second needle, and place the vial on a stir plate, stirring the reaction for 4 hours at room temperature.
When the reaction is finished, concentrate the mixture using a rotary evaporator. Then, dry the residue on a high-vacuum line for 1 hours, and acquire a 1H-NMR in deuterated chloroform.
Now let’s compare the reaction if carried out in presence of the antioxidant dibutylhydroxy toluene, or BHT. Prepare two identical samples, by dissolving CoCl2·6H2O and butyraldehyde in 1,2-dichloroethane using a 20-mL scintillation vial. Add the antioxidant to each solution, followed by a stir bar, and fit each vial with a rubber septum.
Similar to the previous reaction, use a balloon to purge the solution in the vials with oxygen, then stir the reactions under oxygen atmosphere for 4 hours at room temperature. After 4 hours, concentrate one of the mixtures using a rotary evaporator for a 1H-NMR. Dry the sample on high vacuum, and use this sample to obtain a 1H-NMR. The other reaction will be used for EPR.
Turn on the EPR spectrometer and let the instrument warm up for 30 min. On the computer, tune the empty cavity of the EPR instrument to make sure there are no contaminants in the instrument.
Set up an EPR acquisition with the parameters stated in the text. Measure an EPR spectrum of an empty EPR tube to ensure that there are no background signals from either the EPR tube or the instrument resonator.
Then, use BHT and prepare a solution in 1,2-dichloroethane in a N2-filled glovebox. Transfer 0.5 mL of the solution to a 2 mm EPR tube, capping it with a plastic EPR-tube cap. Measure the EPR spectrum of BHT using the acquisition parameters set up previously.
Now, use the BHT containing reaction and prepare an EPR solution following the same procedure as for the BHT sample. Acquire an EPR spectrum using the acquisition parameters set up previously.
Now, let’s compare the reactions with and without the BHT antioxidant using the NMR and EPR data.
The autoxidation of butyraldehyde affords butyric acid. The 1H-NMR spectrum obtained from the reaction shows the lack of an aldehydic C-H resonance and the presence of the resonances expected of butyric acid.
In contrast, the NMR obtained from the reaction mixture with added BHT displays signals consistent with butyraldehyde, with no butyric acid present. From these data, it is shown that BHT has served as an antioxidant in the aldehyde autoxidation.
The role of BHT in inhibiting aldehyde autoxidation is illuminated by the EPR spectra obtained of BHT and of BHT added to the aldehyde autoxidation reaction.
BHT is a diamagnetic organic molecule, meaning that there are no unpaired electrons. Accordingly, the EPR spectrum of BHT displays no signals. In contrast, the EPR spectrum of the autoxidation reaction in which BHT was added displays a strong four-lined pattern, consistent with an organic radical.
This spectrum arises because the O-H bond of BHT is weak. In the presence of radicals generated during autoxidation, the hydrogen transfer from BHT quenches the radical chain mechanism and generates a stable oxygen-centered radical.
Electron paramagnetic resonance spectroscopy is an analytical method, which is often used in organic and inorganic chemistry to gain additional information, aside of the common methods such as NMR or IR spectroscopy.
For example, EPR can be used to study biological systems such as the metabolism of cyanobacteria. The cyanobacteria are suspended in a solution containing trityl radical, and placed in an imaging probe. The sample is irradiated with light and the radical concentration measured with respect to time.
This study showed that the trytil concentration decreased under light, but remained constant in darkness, demonstrating that metabolic activity is light dependent.
Molecules with unpaired electrons can be challenging to characterize with NMR only, thus EPR spectroscopy is frequently used to analyze organic radicals in more detail. Experimental EPR spectra delineate the g-factor of the unpaired electron, providing information about the electronic structure of the paramagnetic center.
Furthermore, the nuclear spins of the nuclei with the unpaired electron, as well as neighboring nuclei, influence the magnetic moment of an electron, giving rise to additional splitting of the spin states and multiple lines in the EPR spectrum. The resulting hyperfine and super-hyperfine coupling provides further information about the electronic structure of the molecule
You’ve just watched JoVE’s introduction to electron paramagnetic resonance spectroscopy. You should now be familiar with the principles of EPR, autoxidation, an autoxidation reaction, and various applications of EPR spectroscopy. As always, thanks for watching!
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