电子顺磁共振 (EPR) 光谱学

电子顺磁共振 （EPR） 波谱是表征顺磁性化合物（例如具有不成对电子的化合物）的重要技术。

EPR 在有机自由基、顺磁性无机配合物和生物无机化学研究中有许多重要的应用。

本视频将说明电子顺磁共振的基本原理、使用 EPR 研究二丁基羟基甲苯及其在脂肪醛自氧化中的抗氧化行为，并讨论一些应用。

EPR 是一种波谱技术，用于通过测量电子自旋跃迁来研究具有不成对电子的分子。

电子的自旋量子数为 1/2，其磁性分量为 +1/2 或 -1/2。

在没有磁场的情况下，两个自旋态的能量是等效的。然而，在施加磁场的情况下，电子的磁矩与施加的磁场对齐，并且自旋态变得非简并。

自旋态之间的能量差取决于磁场的强度。这称为塞曼效应。

在给定的磁场中，两个自旋态之间的能量差由下式给出。

电子在发射或吸收具有能量的光子时在两个自旋态之间移动。然而，这个方程适用于单个自由电子，并没有解释分子内电子的行为与孤立电子的行为方式不同这一事实。

分子的电场梯度将影响有效磁场，如果将其代入此方程，则定义此简化整体方程中给定分子中不成对电子的 g 因子。

在 EPR 实验期间，频率被扫描，而磁场保持恒定，从而可以计算 g 因子，从而提供有关顺磁性分子电子结构的信息。

在本实验中，EPR 波谱用于研究抗氧化剂。氧是一种强氧化剂，是基态三重态，因此与大多数有机分子的反应非常缓慢。由氧介导的一种重要但通常是不需要的反应是自氧化，其中 O2 启动自由基链过程。

这会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，寻找有效的抗氧化剂来抑制自氧化已成为一个重要的研究领域。

抗氧化剂发挥作用的一种机制是与自由基中间体反应以抑制自由基链过程。由于自由基物种具有不成对的自旋，因此 EPR 是了解抗氧化剂化学性质的宝贵工具。

现在让我们看看如何使用 EPR 波谱来探索二丁基羟基甲苯作为抗氧化剂在脂肪醛自氧化中的作用。

让我们从在没有抗氧化剂的情况下丁醛的自氧化开始。使用 20 mL 闪烁瓶，将 125 mL 丁醛和 1 mg CoCl2？6H2O？溶解在 4 mL 1,2-二氯乙烷中。加入磁性搅拌棒并用橡胶隔膜密封样品瓶。

将 1 mL 塑料注射器的桶连接到一小段橡胶管上。将橡胶管插入乳胶球中，并用橡皮筋和电工胶带固定。然后用氧气给气球充气。

将充满氧气的球囊的针头插入小瓶中。将第二根针头插入隔膜，然后用氧气吹扫溶液 5 分钟。吹扫后，取出第二根针头，将样品瓶放在搅拌板上，在室温下搅拌反应 4 小时。

反应完成后，使用旋转蒸发器浓缩混合物。然后，在高真空线上干燥残留物 1 小时，并在氘代氯仿中获得 1H-NMR。

现在让我们比较一下在抗氧化剂二丁基羟基甲苯 （BHT） 存在下进行的反应。通过使用 20 mL 闪烁瓶将 CoCl2？6H2O？和丁醛溶解在 1,2-二氯乙烷中，制备两个相同的样品。将抗氧化剂添加到每种溶液中，然后加入搅拌棒，并在每个小瓶中加入橡胶隔膜。

与之前的反应类似，使用气球用氧气吹扫样品瓶中的溶液，然后在氧气气氛下在室温下搅拌反应 4 小时。4 小时后，使用旋转蒸发器进行 1H-NMR 浓缩其中一种混合物。在高真空下干燥样品，并使用该样品获得 1H-NMR。另一个反应将用于 EPR。

打开 EPR 波谱仪，让仪器预热 30 分钟。在计算机上，调整 EPR 仪器的空腔，以确保仪器中没有污染物。

使用文本中所述的参数设置 EPR 采集。测量空 EPR 管的 EPR 波谱，以确保没有来自 EPR 管或仪器谐振器的背景信号。

然后，使用 BHT 并在填充 N 2 的手套箱中制备 1,2-二氯乙烷溶液。将 0.5 mL 溶液转移到 2 mm EPR 管中，用塑料 EPR 管盖盖住。使用先前设置的采集参数测量 BHT 的 EPR 波谱。

现在，使用含有 BHT 的反应并按照与 BHT 样品相同的程序制备 EPR 溶液。使用之前设置的采集参数采集 EPR 波谱。

现在，让我们使用 NMR 和 EPR 数据比较使用和不使用 BHT 抗氧化剂的反应。

丁醛的自氧化得到丁酸。从反应中获得的 1H-NMR 谱图显示缺乏醛状 C-H 共振，并且存在丁酸预期的共振。

相比之下，从添加 BHT 的反应混合物中获得的 NMR 显示出与丁醛一致的信号，不存在丁酸。从这些数据中可以看出，BHT 在醛自氧化中起到了抗氧化剂的作用。

BHT 在抑制醛自氧化中的作用由 BHT 和添加到醛自氧化反应中的 BHT 获得的 EPR 波谱阐明。

BHT 是一种抗磁性有机分子，这意味着没有不成对的电子。因此，BHT 的 EPR 谱图没有显示信号。相比之下，加入 BHT 的自氧化反应的 EPR 谱图显示出强烈的四线模式，与有机自由基一致。

这个光谱的出现是因为 BHT 的 OH 键很弱。在自氧化过程中产生的自由基存在下，BHT 的氢转移会淬灭自由基链机制并产生稳定的以氧为中心的自由基。

电子顺磁共振波谱是一种分析方法，除了 NMR 或 IR 光谱等常用方法外，还常用于有机和无机化学以获取更多信息。

例如，EPR 可用于研究生物系统，例如蓝藻的代谢。将蓝藻悬浮在含有三苯甲基自由基的溶液中，并置于成像探针中。用光照射样品，并测量相对于时间的自由基浓度。

这项研究表明，胰胺浓度在光照下降低，但在黑暗中保持不变，表明代谢活动与光有关。

仅用 NMR 表征具有不成对电子的分子可能具有挑战性，因此 EPR 波谱经常用于更详细地分析有机自由基。实验 EPR 波谱描绘了未成对电子的 g 因子，提供了有关顺磁中心的电子结构的信息。

此外，具有不成对电子的原子核以及相邻原子核的核自旋会影响电子的磁矩，从而导致自旋态的额外分裂和 EPR 谱中的多条线。由此产生的超精细和超超精细耦合提供了有关分子电子结构的更多信息

您刚刚观看了 JoVE 对电子顺磁共振光谱的介绍。您现在应该熟悉 EPR 的原理、自氧化、自氧化反应以及 EPR 波谱的各种应用。一如既往，感谢您的观看！