Elektronenparamagnetische Rezonanzspektroskopie (EPR-Spektroskopie)

Die Elektronenspinresonanzspektroskopie (EPR) ist eine wichtige Technik zur Charakterisierung paramagnetischer Verbindungen, wie z. B. Verbindungen mit ungepaarten Elektronen.

EPR hat viele wichtige Anwendungen in der Erforschung organischer Radikale, paramagnetischer anorganischer Komplexe und der bioanorganischen Chemie.

Dieses Video veranschaulicht die Grundprinzipien der paramagnetischen Elektronenresonanz, die Verwendung von EPR zur Untersuchung von Dibutylhydroxytoluol und sein antioxidatives Verhalten bei der Autoxidation aliphatischer Aldehyde und diskutiert einige Anwendungen.

EPR ist eine spektroskopische Technik, die verwendet wird, um Moleküle mit ungepaarten Elektronen durch Messung von Elektronenspinübergängen zu untersuchen.

Ein Elektron hat eine Spinquantenzahl von 1/2, die magnetische Komponenten von entweder +1/2 oder -1/2 hat.

In Abwesenheit eines Magnetfeldes ist die Energie der beiden Spinzustände äquivalent. In Gegenwart eines angelegten Magnetfeldes stimmt jedoch das magnetische Moment des Elektrons mit dem angelegten Magnetfeld überein und die Spinzustände werden nicht entartet.

Die Energiedifferenz zwischen dem Spinzustand hängt von der Stärke des Magnetfeldes ab. Dies wird als Zeeman-Effekt bezeichnet.

Bei einem gegebenen Magnetfeld ist die Energiedifferenz zwischen den beiden Spinzuständen gegeben durch ?E.

Ein Elektron bewegt sich zwischen den beiden Spinzuständen, wenn ein Photon mit der Energie ?E emittiert oder absorbiert wird. Diese Gleichung gilt jedoch für ein einzelnes, freies Elektron und berücksichtigt nicht die Tatsache, dass sich Elektronen in Molekülen nicht so verhalten wie ein isoliertes Elektron.

Der elektrische Feldgradient des Moleküls beeinflusst das effektive Magnetfeld, das, wenn es in diese Gleichung eingefügt wird, den g-Faktor für ein ungepaartes Elektron in einem gegebenen Molekül in dieser vereinfachten Gesamtgleichung definiert.

Während eines EPR-Experiments wird die Frequenz gesweept, während das Feld konstant gehalten wird, was die Berechnung des g-Faktors ermöglicht, der Aufschluss über die elektronische Struktur eines paramagnetischen Moleküls gibt.

In diesem Experiment wird die EPR-Spektroskopie verwendet, um Antioxidantien zu untersuchen. Sauerstoff, ein starkes Oxidationsmittel, ist ein Grundzustandstriplett und reagiert daher recht langsam mit den meisten organischen Molekülen. Eine wichtige, wenn auch oft unerwünschte, durch Sauerstoff vermittelte Reaktion ist die Autoxidation, bei der O2 Radikalkettenprozesse in Gang setzt.

Dies kann zu einem schnellen Verbrauch organischer Moleküle und zur Zersetzung vieler organischer Materialien, wie z. B. Kunststoffe, führen. Daher ist die Identifizierung wirksamer Antioxidantien zur Hemmung der Autoxidation zu einem wichtigen Forschungsfeld geworden.

Ein Mechanismus, durch den Antioxidantien funktionieren können, besteht darin, mit den radikalischen Zwischenprodukten zu reagieren, um die Prozesse der Radikalkette zu hemmen. Da Radikalspezies ungepaarte Spins haben, ist EPR ein wertvolles Werkzeug, um die Chemie von Antioxidantien zu verstehen.

Schauen wir uns nun an, wie die EPR-Spektroskopie verwendet wird, um die Rolle von Dibutylhydroxytoluol als Antioxidans bei der Autoxidation von aliphatischen Aldehyden zu untersuchen.

Beginnen wir mit der Autoxidation von Butyraldehyd in Abwesenheit eines Antioxidans. Mit einem 20-ml-Szintillationsfläschchen werden 125 ml Butyraldehyd und 1 mg CoCl2?6H2O?in 4 ml 1,2-Dichlorethan gelöst. Fügen Sie einen magnetischen Rührstab hinzu und verschließen Sie das Fläschchen mit einem Gummiseptum.

Befestigen Sie den Zylinder einer 1-ml-Kunststoffspritze an einem kurzen Stück Gummischlauch. Führen Sie den Gummischlauch in einen Latexballon ein und befestigen Sie ihn mit einem Gummiband und Isolierband. Dann blasen Sie den Ballon mit Sauerstoffgas auf.

Führen Sie die Nadel des mit Sauerstoff gefüllten Ballons in die Durchstechflasche ein. Führen Sie eine zweite Nadel durch das Septum und spülen Sie die Lösung fünf Minuten lang mit Sauerstoffgas aus. Ziehen Sie nach dem Spülen die zweite Nadel heraus, stellen Sie das Fläschchen auf eine Rührplatte und rühren Sie die Reaktion 4 Stunden lang bei Raumtemperatur um.

Wenn die Reaktion beendet ist, wird das Gemisch mit einem Rotationsverdampfer konzentriert. Trocknen Sie dann den Rückstand 1 Stunde lang auf einer Hochvakuumleitung und nehmen Sie eine 1H-NMR in deuteriertem Chloroform auf.

Vergleichen wir nun die Reaktion, wenn sie in Gegenwart des Antioxidans Dibutylhydroxytoluol oder BHT durchgeführt wird. Bereiten Sie zwei identische Proben vor, indem CoCl2?6H2O?und Butyraldehyd in 1,2-Dichlorethan mit einem 20-ml-Szintillationsfläschchen gelöst werden. Fügen Sie das Antioxidans zu jeder Lösung hinzu, gefolgt von einem Rührstab, und setzen Sie jedes Fläschchen mit einem Gummiseptum ein.

Ähnlich wie bei der vorherigen Reaktion verwenden Sie einen Ballon, um die Lösung in den Fläschchen mit Sauerstoff zu spülen, und rühren Sie dann die Reaktionen 4 Stunden lang unter Sauerstoffatmosphäre bei Raumtemperatur um. Nach 4 Stunden wird eine der Mischungen mit einem Rotationsverdampfer für eine 1H-NMR konzentriert. Trocknen Sie die Probe im Hochvakuum und verwenden Sie diese Probe, um eine 1H-NMR zu erhalten. Die andere Reaktion wird für EPR verwendet.

Schalten Sie das EPR-Spektrometer ein und lassen Sie das Instrument 30 Minuten lang aufwärmen. Stimmen Sie am Computer den leeren Hohlraum des EPR-Instruments ab, um sicherzustellen, dass sich keine Verunreinigungen im Instrument befinden.

Richten Sie eine EPR-Erfassung mit den im Text angegebenen Parametern ein. Messen Sie das EPR-Spektrum einer leeren EPR-Röhre, um sicherzustellen, dass weder von der EPR-Röhre noch vom Instrumentenresonator Hintergrundsignale vorhanden sind.

Verwenden Sie dann BHT und bereiten Sie eine Lösung in 1,2-Dichlorethan in einer mit N2 gefüllten Handschuhbox vor. Übertragen Sie 0,5 mL der Lösung in ein 2 mm EPR-Röhrchen und verschließen Sie es mit einem EPR-Röhrchenkappe aus Kunststoff. Messen Sie das EPR-Spektrum von BHT mit den zuvor festgelegten Erfassungsparametern.

Verwenden Sie nun die BHT-haltige Reaktion und bereiten Sie eine EPR-Lösung nach dem gleichen Verfahren wie für die BHT-Probe her. Erfassen Sie ein EPR-Spektrum mit den zuvor festgelegten Erfassungsparametern.

Vergleichen wir nun die Reaktionen mit und ohne das BHT-Antioxidans anhand der NMR- und EPR-Daten.

Die Autoxidation von Butyraldehyd liefert Buttersäure. Das aus der Reaktion erhaltene 1H-NMR-Spektrum zeigt das Fehlen einer aldehydischen C-H-Resonanz und das Vorhandensein der von Buttersäure erwarteten Resonanzen.

Im Gegensatz dazu zeigt die NMR, die aus dem Reaktionsgemisch mit zugesetztem BHT erhalten wird, Signale, die mit Butyraldehyd übereinstimmen, ohne dass Buttersäure vorhanden ist. Aus diesen Daten wird gezeigt, dass BHT als Antioxidans bei der Aldehydautoxidation gedient hat.

Die Rolle von BHT bei der Hemmung der Aldehydautoxidation wird durch die EPR-Spektren von BHT und BHT beleuchtet, die der Aldehydautoxidationsreaktion hinzugefügt wurden.

BHT ist ein diamagnetisches organisches Molekül, was bedeutet, dass es keine ungepaarten Elektronen gibt. Dementsprechend zeigt das EPR-Spektrum von BHT keine Signale an. Im Gegensatz dazu zeigt das EPR-Spektrum der Autoxidationsreaktion, bei der BHT zugesetzt wurde, ein starkes vierzeiliges Muster, das mit einem organischen Radikal übereinstimmt.

Dieses Spektrum entsteht, weil die O-H-Bindung von BHT schwach ist. In Gegenwart von Radikalen, die bei der Autoxidation entstehen, löscht der Wasserstofftransfer von BHT den Radikalkettenmechanismus und erzeugt ein stabiles sauerstoffzentriertes Radikal.

Die Elektronenspinresonanzspektroskopie ist eine analytische Methode, die in der organischen und anorganischen Chemie häufig eingesetzt wird, um neben den gängigen Methoden wie der NMR- oder IR-Spektroskopie zusätzliche Informationen zu gewinnen.

Mit dem EPD lassen sich zum Beispiel biologische Systeme wie der Stoffwechsel von Cyanobakterien untersuchen. Die Cyanobakterien werden in einer Lösung, die Tritylradikal enthält, suspendiert und in eine bildgebende Sonde gegeben. Die Probe wird mit Licht bestrahlt und die Radikalkonzentration in Bezug auf die Zeit gemessen.

Diese Studie zeigte, dass die Trytilkonzentration unter Licht abnahm, aber bei Dunkelheit konstant blieb, was zeigt, dass die Stoffwechselaktivität lichtabhängig ist.

Moleküle mit ungepaarten Elektronen können nur mit NMR schwer zu charakterisieren sein, daher wird die EPR-Spektroskopie häufig verwendet, um organische Radikale detaillierter zu analysieren. Experimentelle EPR-Spektren beschreiben den g-Faktor des ungepaarten Elektrons und geben Aufschluss über die elektronische Struktur des paramagnetischen Zentrums.

Darüber hinaus beeinflussen die Kernspins der Kerne mit dem ungepaarten Elektron sowie benachbarter Kerne das magnetische Moment eines Elektrons, was zu einer zusätzlichen Aufspaltung der Spinzustände und mehrerer Linien im EPR-Spektrum führt. Die resultierende Hyperfein- und Superhyperfeinkopplung liefert weitere Informationen über die elektronische Struktur des Moleküls

Sie haben gerade JoVEs Einführung in die Elektronenspinresonanzspektroskopie gesehen. Sie sollten nun mit den Prinzipien des EPR, der Autoxidation, einer Autoxidationsreaktion und den verschiedenen Anwendungen der EPR-Spektroskopie vertraut sein. Wie immer vielen Dank fürs Zuschauen!