JoVE Science Education

Inorganic Chemistry

Elektronenparamagnetische Rezonanzspektroskopie (EPR-Spektroskopie)

JoVE Science Education
Inorganic Chemistry

A subscription to JoVE is required to view this content. Sign in or start your free trial.

JoVE Science Education Inorganic Chemistry

Electron Paramagnetic Resonance (EPR) Spectroscopy

6.20: Single Crystal and Powder X-ray Diffraction

6.23: Lewis Acid-Base Interaction in Ph₃P-BH₃

25,245 Views

•

11:07 min

•

April 30, 2023

Overview

Quelle: David C. Powers, Tamara M. Powers, Texas A & M

In diesem Video lernen wir die grundlegenden Prinzipien hinter Elektron paramagnetischen Resonanz (EPR). Wir verwenden EPR-Spektroskopie, um Dibutylhydroxy Toluol (BHT) als Antioxidans in der Autoxidation von aliphatischen Aldehyde Verhalten zu studieren.

Principles

Grundlagen der EPR:

EPR ist ein spektroskopische Verfahren, die auf ähnliche physikalische Phänomene als Kernresonanzspektroskopie (NMR) beruht. Während NMR Kernspin-Übergänge misst, misst EPR Elektronen-Spin-Übergänge. EPR wird hauptsächlich verwendet, um paramagnetischen Moleküle zu studieren, die Moleküle mit ungepaarten Elektronen sind. Daran erinnern, daß ein Elektron eine Drehbeschleunigung Quantenzahl s = ½, die magnetische Komponenten m_s = 1/2 und m-_s = – ½. In Ermangelung eines magnetischen Feldes die Energie der beiden m_s Staaten entsprechen. Jedoch im Beisein eines angelegten Magnetfeldes (B₀) richtet das magnetische Moment des Elektrons mit dem angelegten Magnetfeldes und infolgedessen die m_s Staaten werden nicht entartet (Abbildung 1). Die Energiedifferenz zwischen dem m_s richtet sich auf die Stärke des Magnetfeldes (Gleichung 1). Dies nennt man den Zeeman Effekt.

E = m₂g_eμ_BB₀ (Gleichung 1)

wo ist g_e g-Faktor, der für eine freie Elektronen und µ_B 2.0023 ist Bohr Magneton.

Bei einem bestimmten Magnetfeld B₀, ist die Energiedifferenz zwischen den beiden m-_s-Staaten durch Gleichung 2gegeben.

ΔE = E_½-E_-½ = g_eμ_BB₀ = Hυ (Gleichung 2)

Ein Elektron bewegt sich zwischen den beiden m-_s -Staaten bei der Emission oder Absorption eines Photons mit Energie ΔE = hυ. Gleichung 2 bezieht sich auf eine einzelne, freie Elektronen. Jedoch, ähnlich wie die Art und Weise, die die chemische Verschiebung in ¹H NMR hängt von der chemischen Umgebung des H-Atoms, Elektronen innerhalb von Molekülen in die gleiche Weise wie ein isoliertes Elektron Verhalten nicht. Das elektrische Feld Gefälle des Moleküls wird das effektive Magnetfeld, gegeben durch die Gleichung 3beeinflussen.

B-_Eff B₀= (1 — σ) (Gleichung 3)

wo σ ist die Wirkung von heimischen Feldern, die einen positiven oder negativen Wert sein kann.

Gleichung 2 Gleichung 3 einstecken, definieren wir den g-Faktor für ein ungepaartes Elektron in einem bestimmten Molekül als g = g_e(1 – σ), die die allgemeine Formel vereinfacht:

Hυ = Gμ_BB₀ (Gleichung 4)

Während des EPR-Experiments, die Frequenz wird gefegt, am häufigsten in der Mikrowelle Region von 9.000-10.000 MHz, und das Feld findet konstant bei ca. 0,35 T, so dass für die Berechnung von g. Experimentell bestimmen g mit EPR bietet Informationen über die elektronische Struktur eines paramagnetischen Moleküls.

Abbildung 1. Aufteilung des magnetischen Momentes Staaten, m-_s, in Anwesenheit eines magnetischen Feldes.

Anwendung der EPR:

In diesem Experiment verwenden wir EPR-Spektroskopie, um die Chemie der Antioxidantien zu untersuchen. O₂, umfasst ~ 21 % der Erdatmosphäre ist ein starkes Oxidationsmittel. Trotz seines Potenzials als Oxidationsmittel fungieren O₂ ist eine Triole Grundzustand und somit reagiert nur sehr langsam mit den meisten organischen Molekülen. Eine wichtige, aber oft zu unerwünschten, Reaktion von O₂ vermittelt wird Autoxidation. O₂ initiiert Autoxidation Chemie radikale Chain Prozesse, die organische Moleküle schnell verbrauchen können. Abbildung 2 veranschaulicht eine gemeinsame Autoxidation, in denen Aldehyden zu Carbonsäuren oxidiert werden.

Autoxidation Chemie zu verhindern ist wichtig, zu verhindern, dass die Zersetzung des gemeinsamen organischen Materialien, wie Kunststoffe, und ein großes Feld entwickelte sich um wirksame Antioxidantien um Autoxidation hemmen zu identifizieren. Ein Mechanismus durch die Antioxidantien Funktion kann ist durch die Reaktion mit der radikalen Zwischenprodukte, radikale Chain Prozesse zu hemmen. Denn radikale Art Spins ungepaarten haben, ist EPR ein wertvolles Werkzeug für das Verständnis der Chemie der Antioxidantien. In diesem Experiment verwenden wir EPR-Spektroskopie, um die Rolle der BHT als Antioxidans in der Autoxidation von aliphatischen Aldehyde zu erkunden.

Abbildung 2. Aldehyd Autoxidation verläuft über eine radikale Kettenmechanismus.

Procedure

(1) Autoxidation von Butyraldehyde

Bereiten Sie eine Lösung des Butyraldehyde (100 mg) und CoCl₂·6H₂O (1 mg) in 1,2-Dichlorethan (DCE) (4 mL) in ein 20 mL-Fläschchen funkeln. Fügen Sie eine magnetische Stir Bar und passen Sie das Fläschchen mit einer Scheidewand Kautschuk.
Legen Sie den Lauf der eine 1 mL Kunststoffspritze auf ein kurzes Stück Gummischlauch. Stecken Sie den Gummischlauch in einem Latexballon und sichern Sie den Ballon in das Röhrchen mit einem Gummiband und Isolierband. Pumpen Sie ein Latexballon mit O₂.
Stechen Sie die Nadel von der O₂ Ballon in das Fläschchen Reaktion. Legen Sie eine zweite Nadel in das Septum und Säuberung der Kopfraum das Reaktionsgefäß mit O₂.
Mit einer Platte rühren, rühren Sie die Reaktion bei Raumtemperatur für 4 h unter O₂ Atmosphäre.
Konzentrieren Sie das Reaktionsgemisch mit einer Drehverdampfer und nehmen Sie eine ¹H-NMR-Spektrum der resultierende ölige Rückstände in CDCl-₃.

(2) mit BHT als Antioxidans für die Autoxidation von Butyraldehyde

Richten Sie zwei Fläschchen, wie unten beschrieben. Man wird verwendet, um die Vertriebswege zu analysieren und eine wird in Schritt 3 für EPR-Spektroskopie verwendet werden.

Bereiten Sie eine Lösung des Butyraldehyde (100 mg) und CoCl₂·6H₂O (1 mg) in DCE (4 mL) in ein 20 mL-Fläschchen funkeln. BHT (10 mg) der Projektmappe hinzufügen. Fügen Sie eine magnetische Stir Bar und passen Sie das Fläschchen mit einer Scheidewand Kautschuk.
Legen Sie den Lauf der eine 1 mL Kunststoffspritze auf ein kurzes Stück Gummischlauch. Stecken Sie den Gummischlauch in einem Latexballon und sichern Sie den Ballon in das Röhrchen mit einem Gummiband und Isolierband. Pumpen Sie ein Latexballon mit O₂.
Stechen Sie die Nadel von der O₂ Ballon in das Fläschchen Reaktion. Legen Sie eine zweite Nadel in das Septum und Säuberung der Kopfraum das Reaktionsgefäß mit O₂.
Mit einer Platte rühren, rühren Sie die Reaktion bei Raumtemperatur für 4 h unter O₂ Atmosphäre.
Konzentrieren Sie das Reaktionsgemisch mit einer Drehverdampfer und nehmen Sie eine ¹H-NMR-Spektrum der resultierende ölige Rückstände in CDCl-₃.

3. Messung der EPR-Spektren

Schalten Sie das EPR-Spektrometer und lassen Sie das Gerät Aufwärmen für 30 min. Set ein EPR-Übernahme mit den folgenden Parametern: Mittelfeld 3.345 G, Sweep Breite 100 G, Sweep Zeit 55 s Zeit konstant 10 ms, MW Leistung 5 mW, Modulation 100 kHz , und Amplitude Modulation 1 G.
Eine EPR-Spektrum an einem Leerrohr EPR um sicherzustellen, dass es keine Hintergrund-Signale aus dem EPR-Rohr oder Instrument-Resonator gibt zu messen.
Bereiten Sie eine Lösung von BHT in DCE in eine N-₂-Glove-Box gefüllt. Übertragen Sie 0,5 mL der Lösung auf einem EPR-Rohr und Messen Sie das EPR-Spektrum der BHT mit der Aufnahmeparameter Schritt 3.1 gegründet.
Übertragen Sie 0,5 mL der BHT hinzugefügt Reaktionslösung aus Schritt 2 ein EPR-Rohr und erwerben und EPR-Spektrum mit der Aufnahmeparameter einrichten Schritt 3.1.

Elektron-paramagnetische Resonanz oder EPR-Spektroskopie ist eine wichtige Technik für die Charakterisierung der paramagnetischen Verbindungen, wie Verbindungen mit ungepaarten Elektronen.

EPR hat viele wichtige Anwendungen in der Studie von organischen radikale, paramagnetische anorganische komplexe und bioanorganische Chemie.

Dieses Video wird veranschaulichen die grundlegenden Prinzipien hinter Elektron paramagnetischen Resonanz, die Verwendung von EPR Dibutylhydroxy Toluol und seine antioxidative Verhalten in die Autoxidation von aliphatischen Aldehyde zu studieren und ein paar Anwendungen zu diskutieren.

EPR ist eine spektroskopische Methode, die verwendet wird, um Moleküle mit ungepaarten Elektronen zu studieren, durch die Messung der Elektronen-Spin-Übergänge.

Ein Elektron hat einen Spin-Quantenzahl von 1/2, die magnetische Komponenten entweder + 1/2 oder 1/2.

In Ermangelung eines magnetischen Feldes entspricht die Energie von zwei Spinzustände. Jedoch im Beisein eines angelegten Magnetfeldes richtet das magnetische Moment des Elektrons mit dem angelegten Magnetfeldes und die Spinzustände werden nicht entartet.

Die Energiedifferenz zwischen den Spinzustand richtet sich auf die Stärke des Magnetfeldes. Dies nennt man den Zeeman Effekt.

Bei einem bestimmten Magnetfeld bewegt ist die Energiedifferenz zwischen den beiden Spinzustände durch ΔE gegeben.

Ein Elektron bewegt sich zwischen den beiden Spinzustände nach Emission oder Absorption eines Photons mit Energie ΔE. Jedoch diese Gleichung gilt für eine einzelne, freie Elektronen und berücksichtigt nicht die Tatsache, die Elektronen innerhalb von Molekülen nicht genauso verhalten wie ein isoliertes Elektron.

Das elektrische Feld Gefälle des Moleküls beeinflussen die effektive Magnetfeld, das eingesteckten in diese Gleichung das g definiert-Faktor für ein ungepaartes Elektron in einem bestimmten Molekül in diesem gesamten Gleichung vereinfacht.

Während ein EPR-Experiment wird die Frequenz gefegt, während das Feld, so dass für die Berechnung des g-Faktors Bereitstellung von Informationen über die elektronische Struktur eines paramagnetischen Moleküls konstant bleibt.

In diesem Experiment wird EPR-Spektroskopie zur Anti-Oxidantien zu studieren. Sauerstoff, die ein starkes Oxidationsmittel ist, ist eine Triole Grundzustand und so ganz langsam reagiert mit den meisten organischen Molekülen. Eine wichtige, aber oft zu unerwünschten, Reaktion von Sauerstoff vermittelt wird Autoxidation, wo O₂ radikale Chain Prozesse initiiert.

Dies führt zu schnellen Verbrauch von organischen Molekülen und Zersetzung von vielen organischen Materialien, wie Kunststoffe. Daher ist die Ermittlung effektive Antioxidantien um Autoxidation hemmen ein wichtiges Forschungsgebiet geworden.

Ein Mechanismus durch die Antioxidantien Funktion kann ist durch die Reaktion mit der radikalen Zwischenprodukte, radikale Chain Prozesse zu hemmen. Denn radikale Art Spins ungepaarten haben, ist EPR ein wertvolles Werkzeug für das Verständnis der Chemie der Antioxidantien.

Jetzt schauen wir wie EPR-Spektroskopie verwendet wird, um die Rolle der Dibutylhydroxy Toluol, als Antioxidans in der Autoxidation von aliphatischen Aldehyde zu erkunden.

Beginnen wir mit der Autoxidation von Butyraldehyde in Abwesenheit von Antioxidans. Mit einem Funkeln Fläschchen 20 mL, 125 mL Butyraldehyde und 1 mg CoCl₂·6H₂O 4 ml 1,2-Dichlorethan aufzulösen. Fügen Sie eine magnetische Stir Bar und verschließen Sie das Fläschchen mit einer Scheidewand Kautschuk.

Legen Sie den Lauf der eine 1 mL Kunststoffspritze auf ein kurzes Stück Gummischlauch. Stecken Sie den Gummischlauch in einem Latexballon und mit einem Gummiband und Isolierband sichern.

Dann Pumpen Sie den Ballon mit Sauerstoffgas.

Stechen Sie die Nadel von der Sauerstoff gefüllten Ballon in die Flasche. Legen Sie eine zweite Nadel durch das Septum, und fünf Minuten spülen Sie die Lösung mit Sauerstoffgas. Einmal gereinigt, ziehen Sie die zweite Nadel heraus, und legen Sie das Fläschchen auf Platte rühren, rühren die Reaktion für 4 Stunden bei Raumtemperatur.

Wenn die Reaktion beendet ist, konzentrieren sich die Mischung mit einem Drehverdampfer. Dann trocknen Sie die Rückstände auf einer Hochvakuum-Linie für 1 Stunde, und erwerben Sie ein ¹H-NMR in deuterierte Chloroform zu.

Jetzt vergleichen wir die Reaktion, wenn in Anwesenheit des antioxidativen Dibutylhydroxy Toluol oder BHT durchgeführt. Bereiten Sie zwei identische Proben durch auflösen CoCl₂·6H₂O und Butyraldehyde in 1,2-Dichlorethan mit einem Funkeln 20-mL-Fläschchen. Fügen Sie das Antioxidans zu jeder Lösung gefolgt von einer Stir Bar und passen jedes Fläschchen mit einer Scheidewand Kautschuk.

Ähnlich wie die frühere Reaktion, Verwendung ein Ballons, die Lösung in den Fläschchen mit Sauerstoff, zu bereinigen dann umrühren Reaktionen unter Sauerstoffatmosphäre für 4 Stunden bei Raumtemperatur. Konzentrieren Sie nach 4 Stunden eines der Mischungen mit einem Drehverdampfer für eine ¹H-NMR. Trocknen Sie die Probe auf Hochvakuum, und verwenden Sie dieses Beispiel ein ¹H-NMR zu erhalten. Die anderen Reaktion wird für EPR verwendet werden.

Schalten Sie das EPR-Spektrometer und lassen Sie das Instrument 30 min. warmlaufen zu. Stimmen Sie auf dem Computer den leeren Hohlraum des EPR-Instrument um sicherzustellen, dass keine Verunreinigungen in das Instrument gibt.

Richten Sie ein EPR-Erwerb mit den Parametern, die im Text angegeben. Eine EPR-Spektrum an einem Leerrohr EPR um sicherzustellen, dass es keine Hintergrund-Signale aus dem EPR-Rohr oder Instrument-Resonator gibt zu messen.

Dann verwenden Sie BHT und bereiten Sie eine Lösung in 1,2-Dichlorethan in einem N-₂-Glovebox gefüllt. Übertragen Sie 0,5 mL der Lösung auf einem Schlauch 2 mm EPR, verschließen es mit einer Kunststoffkappe EPR-Rohr. Messen Sie das EPR-Spektrum der BHT mit der Aufnahmeparameter zuvor eingerichtet.

Nun, verwenden Sie die BHT mit Reaktion und bereiten Sie eine ERP-Lösung nach dem gleichen Verfahren wie bei der BHT-Probe. Erwerben Sie ein EPR-Spektrum mit der Aufnahmeparameter zuvor eingerichtet.

Jetzt vergleichen wir die Reaktionen mit und ohne das BHT-Antioxidans mit NMR und EPR-Daten.

Die Autoxidation von Butyraldehyde bietet Buttersäure. Die ¹H-NMR-Spektrum erhalten aus der Reaktion zeigt das Fehlen einer aldehydisch C-H-Resonanz und das Vorhandensein der Resonanzen von Buttersäure erwartet.

Im Gegensatz dazu erhielt die NMR aus dem Reaktionsgemisch mit zusätzlichen BHT zeigt Signale mit Butyraldehyde, mit keine Buttersäure vorhanden. Aus diesen Daten wird es gezeigt, dass BHT als Antioxidans in der Aldehyd Autoxidation gedient hat.

Die Rolle der BHT bei der Hemmung Aldehyd Autoxidation leuchtet durch die EPR-Spektren von BHT und BHT hinzugefügt, um die Aldehyd Autoxidation Reaktion erhalten.

BHT ist eine diamagnetische organisches Molekül, d.h. es gibt keine ungepaarten Elektronen. Dementsprechend zeigt das EPR-Spektrum von BHT keine Signale. Im Gegensatz dazu zeigt das EPR-Spektrum der Autoxidation Reaktion in der BHT hinzugefügt wurde eine starke vier gesäumten Muster, eine organische radikale entsprechen.

Dieses Spektrum entsteht, weil der O-H-Bindung von BHT schwach ist. In Anwesenheit von radikalen während Autoxidation generiert die Wasserstoff-Übertragung von BHT stillt den radikalen Kettenmechanismus und generiert eine stabile Sauerstoff-zentrierte radikale.

Elektron-paramagnetische Resonanz-Spektroskopie ist eine analytische Methode, die häufig in organischen und anorganischen Chemie verwendet wird, um zusätzliche Informationen, abgesehen von den gängigen Methoden wie NMR oder IR-Spektroskopie zu gewinnen.

Z. B. kann EPR verwendet werden, um biologische Systeme wie den Stoffwechsel der Cyanobakterien zu studieren. Die Cyanobakterien sind in einer Lösung, die Trityl radikale ausgesetzt und in ein imaging-Sonde gelegt. Die Probe wird bestrahlt mit Licht und die radikale Konzentration gemessen in Bezug auf Zeit.

Die Studie zeigte, dass die Trytil-Konzentration unter Licht verringert, aber in der Dunkelheit konstant, zeigen, dass metabolische Aktivität Licht abhängig ist.

Moleküle mit ungepaarten Elektronen können schwierig sein, nur mit NMR zu charakterisieren, so EPR-Spektroskopie wird häufig verwendet, um organische radikale genauer zu analysieren. Experimentelle EPR Spektren abzugrenzen der g-Faktor das ungepaarte Elektron, Bereitstellung von Informationen über die elektronische Struktur des paramagnetischen Zentrums.

Darüber hinaus beeinflussen die Kernspins die Kerne mit das ungepaarte Elektron sowie benachbarte Kerne, das magnetische Moment des Elektrons, wodurch zusätzliche Aufteilung der Spinzustände und mehrere Zeilen in der EPR-Spektrum. Die daraus resultierende Hyperfein und Super-Hyperfein Kupplung bietet weitere Informationen über die elektronische Struktur des Moleküls

Sie sah nur Jupiters Einführung in Elektron-paramagnetische Resonanz-Spektroskopie. Sie sollten jetzt mit den Grundsätzen der EPR, Autoxidation, eine Autoxidation Reaktion und verschiedene Anwendungen der EPR-Spektroskopie vertraut sein. Wie immer vielen Dank für das ansehen!

Results

Die Autoxidation von Butyraldehyde bietet Buttersäure. Die ¹H-NMR-Spektrum erhalten aus der Reaktion, die in Schritt 1 durchgeführt zeigt den Mangel an eine aldehydisch C-H-Resonanz und das Vorhandensein der Resonanzen von Buttersäure erwartet. Im Gegensatz dazu zeigt der NMR, gewonnen aus dem Reaktionsgemisch aus Schritt 2 (mit zusätzlichen BHT) Signale mit Butyraldehyde, mit keine Buttersäure vorhanden. Aus diesen Daten beobachten wir, dass die Butyraldehyde als Antioxidans in Aldehyd Autoxidation gedient hat.

Die Rolle der BHT bei der Hemmung Aldehyd Autoxidation leuchtet durch die EPR-Spektren von BHT und BHT hinzugefügt, um die Aldehyd Autoxidation Reaktion erhalten. BHT ist eine diamagnetische organisches Molekül, d.h. es gibt keine ungepaarten Elektronen. Dementsprechend zeigt das EPR-Spektrum von BHT keine Signale. Im Gegensatz dazu zeigt das EPR-Spektrum der Autoxidation Reaktion in der BHT hinzugefügt wurde eine starke vier gesäumten Muster, eine organische radikale entsprechen. Dieses Spektrum entsteht, weil der O-H-Bindung von BHT schwach ist und im Beisein von radikalen während Autoxidation generiert, H-Atom Transfer vom BHT den radikalen Kettenmechanismus stillt und generiert eine stabile O-zentrierte radikale.

Applications and Summary

In diesem Experiment erkundeten wir die Rolle von Antioxidantien in der Hemmung der Autoxidation Chemie. Wir sondiert den Mechanismus der Hemmung mit EPR-Spektroskopie, die ergab, dass BHT von reaktiven Radikale Zwischenprodukte durch H-Atom Transfer abschrecken dient als Antioxidans.

Moleküle mit ungepaarten Elektronen können schwierig sein, durch NMR zu charakterisieren und EPR-Spektroskopie bietet somit häufig nützlich und ergänzende Informationen zu dieser Spezies. EPR-Spektroskopie ist eine experimentelle Technik, die häufig verwendet wird, zu erkennen und charakterisieren organische Radikale. Zudem zeigen paramagnetischen anorganische komplexe häufig auch EPR-Spektren, die für die Charakterisierung lehrreich sein können. Experimentelle EPR Spektren abzugrenzen der g-Faktor das ungepaarte Elektron, die Informationen über die elektronische Struktur des paramagnetischen Center liefert. Darüber hinaus beeinflussen die Kernspins die Kerne mit einem ungepaarten Elektron sowie benachbarte Kerne auch das magnetische Moment des Elektrons, wodurch die weitere Aufteilung der m_s Staaten und mehrere Zeilen in der EPR-Spektrum. Die daraus resultierende Hyperfein und Super-Hyperfein Kupplung bietet weitere Informationen über die elektronische Struktur des Moleküls.

Neben Charakterisierung organischer und anorganischer Art Open-Shell, ist die vorzügliche Empfindlichkeit der EPR-Spektroskopie entscheidend für die Anwendung auf bioanorganische Systeme, wo ist die Konzentration von Metall Cofaktoren gering. EPR-Spektren routinemäßig bioanorganische Chemie dienen zur direkten Informationen über die Strukturen und Oxidationsstufen von Metallionen im Herzen von Enzymen.

Transcript

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!

Tags

Leerer Wert Problem