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La espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica, o EPR, es una técnica importante para la caracterización de compuestos paramagnéticos, como los compuestos con electrones desapareados.
La EPR tiene muchas aplicaciones importantes en el estudio de radicales orgánicos, complejos inorgánicos paramagnéticos y química bioinorgánica.
Este video ilustrará los principios básicos detrás de la resonancia paramagnética electrónica, el uso de EPR para estudiar el dibutilhidroxitolueno y su comportamiento antioxidante en la autooxidación de aldehídos alifáticos, y discutirá algunas aplicaciones.
La EPR es una técnica espectroscópica que se utiliza para estudiar moléculas con electrones desapareados midiendo las transiciones de espín de electrones.
Un electrón tiene un número cuántico de espín de 1/2, que tiene componentes magnéticos de +1/2 o -1/2.
En ausencia de un campo magnético, la energía de los dos estados de espín es equivalente. Sin embargo, en presencia de un campo magnético aplicado, el momento magnético del electrón se alinea con el campo magnético aplicado y los estados de espín se vuelven no degenerados.
La diferencia de energía entre el estado de espín depende de la fuerza del campo magnético. A esto se le llama el efecto Zeeman.
A un campo magnético dado, la diferencia de energía entre los dos estados de espín viene dada por ?E.
Un electrón se mueve entre los dos estados de espín al emitir o absorber un fotón con energía ?E. Sin embargo, esta ecuación se aplica a un solo electrón libre, y no tiene en cuenta el hecho de que los electrones dentro de las moléculas no se comportan de la misma manera que lo hace un electrón aislado.
El gradiente del campo eléctrico de la molécula influirá en el campo magnético efectivo, que, si se conecta a esta ecuación, define el factor g para un electrón desapareado en una molécula dada en esta ecuación general simplificada.
Durante un experimento EPR, la frecuencia se barre, mientras que el campo se mantiene constante, lo que permite el cálculo del factor g que proporciona información sobre la estructura electrónica de una molécula paramagnética.
En este experimento, la espectroscopia EPR se utiliza para estudiar los antioxidantes. El oxígeno, que es un oxidante fuerte, es un triplete en estado fundamental y, por lo tanto, reacciona bastante lentamente con la mayoría de las moléculas orgánicas. Una reacción importante, aunque a menudo no deseada, mediada por el oxígeno es la autoxidación, en la que el O2 inicia procesos de cadena radical.
Esto puede conducir a un consumo rápido de moléculas orgánicas y a la descomposición de muchos materiales orgánicos, como los plásticos. Por lo tanto, la identificación de antioxidantes efectivos para inhibir la autooxidación se ha convertido en un importante campo de investigación.
Un mecanismo por el cual los antioxidantes pueden funcionar es reaccionando con los intermediarios radicales para inhibir los procesos de la cadena de radicales. Debido a que las especies radicales tienen espines desapareados, la EPR es una herramienta valiosa para comprender la química de los antioxidantes.
Veamos ahora cómo se utiliza la espectroscopia EPR para explorar el papel del dibutilhidroxitolueno, como antioxidante en la autooxidación de aldehídos alifáticos.
Comencemos con la autooxidación del butiraldehído en ausencia de un antioxidante. Con un vial de centelleo de 20 mL, disuelva 125 mL de butiraldehído y 1 mg de CoCl2?6H2O?en 4 mL de 1,2-dicloroetano. Agregue una barra agitadora magnética y selle el vial con un tabique de goma.
Conecte el cilindro de una jeringa de plástico de 1 mL a un trozo corto de tubo de goma. Inserte el tubo de goma en un globo de látex y asegúrelo con una banda elástica y cinta aislante. A continuación, infle el globo con gas oxígeno.
Inserte la aguja del globo lleno de oxígeno en el vial. Inserte una segunda aguja a través del tabique y purgue la solución con gas oxígeno durante cinco minutos. Una vez purgado, retire la segunda aguja y coloque el vial en una placa de agitación, agitando la reacción durante 4 horas a temperatura ambiente.
Una vez finalizada la reacción, concentre la mezcla utilizando un evaporador rotativo. A continuación, seque el residuo en una línea de alto vacío durante 1 hora y adquiera una RMN-1H en cloroformo deuterado.
Ahora comparemos la reacción si se lleva a cabo en presencia del antioxidante dibutilhidroxitolueno, o BHT. Prepare dos muestras idénticas, disolviendo CoCl2?6H2O... y butiraldehído en 1,2-dicloroetano utilizando un vial de centelleo de 20 mL. Agregue el antioxidante a cada solución, seguido de una barra agitadora, y coloque en cada vial un tabique de goma.
De manera similar a la reacción anterior, use un globo para purgar la solución en los viales con oxígeno, luego agite las reacciones bajo una atmósfera de oxígeno durante 4 horas a temperatura ambiente. Después de 4 horas, concentre una de las mezclas usando un evaporador rotativo para una RMN-1H. Seque la muestra a alto vacío y utilice esta muestra para obtener una RMN-1H. La otra reacción se utilizará para la EPR.
Encienda el espectrómetro EPR y deje que el instrumento se caliente durante 30 minutos. En la computadora, ajuste la cavidad vacía del instrumento EPR para asegurarse de que no haya contaminantes en el instrumento.
Configure una adquisición de EPR con los parámetros indicados en el texto. Mida un espectro EPR de un tubo EPR vacío para asegurarse de que no haya señales de fondo del tubo EPR o del resonador del instrumento.
A continuación, utilice BHT y prepare una solución en 1,2-dicloroetano en una guantera llena de N2. Transfiera 0,5 mL de la solución a un tubo de EPR de 2 mm, tapándolo con una tapa de plástico para tubo de EPR. Mida el espectro EPR de BHT utilizando los parámetros de adquisición configurados anteriormente.
Ahora, utilice la reacción que contiene BHT y prepare una solución EPR siguiendo el mismo procedimiento que para la muestra de BHT. Adquiera un espectro EPR utilizando los parámetros de adquisición configurados anteriormente.
Ahora, comparemos las reacciones con y sin el antioxidante BHT utilizando los datos de RMN y EPR.
La autooxidación del butiraldehído proporciona ácido butírico. El espectro 1H-RMN obtenido de la reacción muestra la ausencia de una resonancia aldehídica C-H y la presencia de las resonancias esperadas del ácido butírico.
Por el contrario, la RMN obtenida de la mezcla de reacción con BHT añadido muestra señales consistentes con butiraldehído, sin la presencia de ácido butírico. A partir de estos datos, se demuestra que el BHT ha servido como antioxidante en la autooxidación de aldehídos.
El papel del BHT en la inhibición de la autooxidación del aldehído se ilumina mediante los espectros EPR obtenidos del BHT y del BHT añadido a la reacción de autooxidación del aldehído.
BHT es una molécula orgánica diamagnética, lo que significa que no hay electrones desapareados. En consecuencia, el espectro EPR de BHT no muestra señales. Por el contrario, el espectro EPR de la reacción de autoxidación en la que se añadió BHT muestra un fuerte patrón de cuatro líneas, consistente con un radical orgánico.
Este espectro surge porque el enlace O-H de BHT es débil. En presencia de radicales generados durante la autoxidación, la transferencia de hidrógeno de BHT apaga el mecanismo de la cadena de radicales y genera un radical estable centrado en el oxígeno.
La espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica es un método analítico, que se utiliza a menudo en química orgánica e inorgánica para obtener información adicional, aparte de los métodos comunes como la RMN o la espectroscopia IR.
Por ejemplo, la RAP se puede utilizar para estudiar sistemas biológicos como el metabolismo de las cianobacterias. Las cianobacterias se suspenden en una solución que contiene radical tritilo y se colocan en una sonda de imagen. La muestra se irradia con luz y se mide la concentración de radicales con respecto al tiempo.
Este estudio mostró que la concentración de trítilo disminuyó bajo la luz, pero permaneció constante en la oscuridad, lo que demuestra que la actividad metabólica depende de la luz.
Las moléculas con electrones desapareados pueden ser difíciles de caracterizar solo con RMN, por lo que la espectroscopia EPR se usa con frecuencia para analizar radicales orgánicos con más detalle. Los espectros experimentales de EPR delinean el factor g del electrón desapareado, proporcionando información sobre la estructura electrónica del centro paramagnético.
Además, los espines nucleares de los núcleos con el electrón desapareado, así como los núcleos vecinos, influyen en el momento magnético de un electrón, lo que da lugar a una división adicional de los estados de espín y múltiples líneas en el espectro EPR. El acoplamiento hiperfino y superhiperfino resultante proporciona más información sobre la estructura electrónica de la molécula
Acabas de ver la introducción de JoVE a la espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica. Ahora debería estar familiarizado con los principios de EPR, autoxidación, una reacción de autoxidación y diversas aplicaciones de la espectroscopia EPR. Como siempre, ¡gracias por mirar!
