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Spectroscopie par résonance paramagnétique électronique (RPE)

Electron Paramagnetic Resonance (EPR) Spectroscopy

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Electron Paramagnetic Resonance (EPR) Spectroscopy

6.20: Single Crystal and Powder X-ray Diffraction

6.23: Lewis Acid-Base Interaction in Ph₃P-BH₃

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11:07 min

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April 30, 2023

Overview

Source : David C. Powers, Tamara M. pouvoirs, Texas A & M

Dans cette vidéo, nous allons apprendre les principes de base derrière la résonance paramagnétique électronique (RPE). Nous utiliserons la spectroscopie RPE pour étudier comment dibutylhydroxy toluène (BHT) se comporte comme un antioxydant dans l’autoxydation des aldéhydes aliphatiques.

Principles

Principes fondamentaux de l’EPR :

EPR est une technique spectroscopique qui s’appuie sur des phénomènes physiques similaires comme la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire (RMN). Tandis que NMR mesure transitions de spin nucléaire, EPR mesure transitions de spin des électrons. EPR est principalement utilisé pour l’étude des molécules paramagnétiques, qui sont des molécules avec des électrons non appariés. Rappelons qu’un électron possède un nombre quantique de spin, s = ½, qui a des composants magnétiques m_s = ½ et m_s = – ½. En l’absence d’un champ magnétique, l’énergie des deux États m_s sont équivalentes. Toutefois, en présence d’un champ magnétique appliqué (B,₀), le moment magnétique de l’électron s’aligne avec le champ magnétique appliqué et, en conséquence, les États de m_s devenus non dégénéré (Figure 1). La différence d’énergie entre l’état de m_s repose sur la force du champ magnétique (équation 1). C’est ce qu’on appelle l’effet Zeeman.

E = m₂g_eμ_BB₀ (équation 1)

où g_e est le g-facteur, qui est 2.0023 pour un électron libre et µ_B est le magnéton de Bohr.

À un champ magnétique donné, B₀, la différence d’énergie entre les deux m_sÉtats est donnée par l’équation 2.

ΔE = E_½— E_-½ = g_eμ_BB₀ = hυ (équation 2)

Un électron se déplace entre deux Etats sur l’émission ou l’absorption d’un photon avec énergie Δ m_s E = hυ. équation 2 s’applique à un seul, électrons libres. Cependant, semblable à la façon dont le déplacement chimique en ¹H RMN dépend de l’environnement chimique de l’atome H, électrons dans les molécules ne se comportent pas de la même façon qu’un électron isolé. Le gradient de champ électrique de la molécule va influencer le champ magnétique efficace, donné par l’équation 3.

B_eff = B₀(1 — σ) (équation 3)

où σ est l’effet des champs les, ce qui peut être une valeur positive ou négative.

Brancher l’équation 3 dans l’équation 2, nous pouvons définir le g-facteur pour un électron non apparié dans une molécule donnée que g = g_e(1 – σ), ce qui simplifie l’équation globale à :

hυ = gμ_BB₀ (équation 4)

Pendant l’expérience EPR, la fréquence est balayée, plus couramment dans la région de micro-ondes allant de 9 000-10 000 MHz, et le champ est maintenu constant à environ 0,35 T, permettant le calcul de g. Déterminer expérimentalement g à l’aide d’EPR fournit des informations sur la structure électronique d’une molécule paramagnétique.

Figure 1. Fractionnement des États de moment magnétique, m,_s, en présence d’un champ magnétique.

Application de l’EPR :

Dans cette expérience, nous allons utiliser la spectroscopie RPE pour étudier la chimie des antioxydants. O₂, qui comprend ~ 21 % de l’atmosphère terrestre, est un oxydant puissant. Malgré son potentiel d’agir comme un oxydant, O₂ est un triplet fondamental et donc seulement réagit très lentement avec des molécules organiques plus. Un important, bien que souvent indésirés, réaction médiée par O₂ est l’autoxydation. En chimie de l’autoxydation, O₂ initie des processus radicalaire en chaîne qui peuvent consommer rapidement les molécules organiques. La figure 2 illustre une autooxydation commune, dans laquelle les aldéhydes sont oxydés en acides carboxyliques.

Prévenir l’autoxydation chimie est important d’éviter la décomposition de nombreux matériaux organiques communs, tels que les plastiques, et un grand champ s’est développé autour d’identifier des antioxydants efficaces pour inhiber l’autoxydation. Un mécanisme par lequel antioxydants peut fonctionner est en réagissant avec les radicaux intermédiaires pour inhiber les processus radicalaire en chaîne. Parce que les espèces radicalaires ont non appariées de spins, EPR est un outil précieux pour la compréhension de la chimie des antioxydants. Dans cette expérience, nous allons utiliser la spectroscopie RPE à examiner le rôle de BHT comme antioxydant dans l’autoxydation des aldéhydes aliphatiques.

Figure 2. Aldéhyde autoxydation procède par un mécanisme radicalaire en chaîne.

Procedure

1. l’auto-oxydation du butyraldéhyde

Préparer une solution de butyraldéhyde (100 mg) et CoCl₂·6H₂O (1 mg) en 1, 2-dichloroéthane (DCE) (4 mL) dans un flacon de 20 mL à scintillation. Ajouter une barre magnétique remuer et remettre le flacon avec un septum en caoutchouc.
Fixer le Canon d’une seringue en plastique de 1 mL sur un morceau de tuyau en caoutchouc. Insérez le tube de caoutchouc dans un ballon de latex et fixer le ballon dans le tube avec un élastique et ruban isolant. Gonfler un ballon de latex avec O₂.
Insérez l’aiguille du ballon₂ O dans le flacon de réaction. Introduisez une deuxième aiguille dans le septum et purger l’espace de la cuve de réaction avec O₂.
À l’aide d’une plaque de remuer, remuer la réaction à la température ambiante pendant 4 h sous une atmosphère de₂ O.
Concentrer le mélange réactionnel à l’aide d’un évaporateur rotatif et prendre un spectre de RMN H ¹du résidu huileux qui en résulte dans CDCl₃.

2. à l’aide de BHT comme antioxydant pour l’autoxydation du butyraldéhyde

Mis en place deux flacons comme décrit ci-dessous. L’un sera utilisé pour analyser la distribution des produits et un sera utilisé à l’étape 3 pour spectroscopie RPE.

Préparer une solution de butyraldéhyde (100 mg) et CoCl₂·6H₂O (1 mg) en DCE (4 mL) dans un flacon de 20 mL à scintillation. Ajouter BHT (10 mg) à la solution. Ajouter une barre magnétique remuer et remettre le flacon avec un septum en caoutchouc.
Fixer le Canon d’une seringue en plastique de 1 mL sur un morceau de tuyau en caoutchouc. Insérez le tube de caoutchouc dans un ballon de latex et fixer le ballon dans le tube avec un élastique et ruban isolant. Gonfler un ballon de latex avec O₂.
Insérez l’aiguille du ballon₂ O dans le flacon de réaction. Introduisez une deuxième aiguille dans le septum et purger l’espace de la cuve de réaction avec O₂.
À l’aide d’une plaque de remuer, remuer la réaction à la température ambiante pendant 4 h sous une atmosphère de₂ O.
Concentrer le mélange réactionnel à l’aide d’un évaporateur rotatif et prendre un spectre de RMN H ¹du résidu huileux qui en résulte dans CDCl₃.

3. mesure des spectres rpe

Allumez le spectromètre EPR et laissez l’appareil chauffer pendant 30 min. Set up une acquisition EPR avec les paramètres suivants : champ Centre 3 345 G, largeur de balayage 100 G, balayage temps 55 s, temps constants 10 ms, mW de puissance de 5 MW, modulation 100kHz et la modulation d’amplitude 1 G.
Mesurer un spectre RPE d’un tube vide d’EPR pour s’assurer qu’il n’y a aucun signal de fond depuis le tube de l’EPR ou le résonateur de l’instrument.
Préparer une solution de BHT dans DCE dans un N₂-remplis la boîte à gants. Transférer 0,5 mL de la solution dans un tube de RPE et mesurer le spectre RPE du BHT en utilisant les paramètres d’acquisition mis en place à l’étape 3.1.
Transférer 0,5 mL de la solution de réaction BHT-ajout de l’étape 2 à un tube d’EPR et acquérir et spectre RPE en utilisant les paramètres d’acquisition mis en place à l’étape 3.1.

Résonance paramagnétique électronique, ou EPR, la spectroscopie est une technique importante pour la caractérisation de composés paramagnétiques, tels que les composés avec des électrons non appariés.

EPE a de nombreuses applications importantes dans l’étude des radicaux organiques complexes inorganiques paramagnétiques et chimie bioinorganique.

Cette vidéo va illustrer les principes de base derrière la résonance paramagnétique électronique, l’utilisation de l’EPR pour étudier dibutylhydroxy toluène et son comportement d’antioxydant dans l’autoxydation des aldéhydes aliphatiques et discuter de quelques applications.

EPR est une technique spectroscopique qui est utilisée pour étudier les molécules avec des électrons non appariés en mesurant les transitions de spin des électrons.

Un électron a un nombre quantique de spin 1/2, qui a des composants magnétiques de chaque + 1/2 ou -1/2.

En l’absence d’un champ magnétique, l’énergie de l’États de deux spin est équivalent. Toutefois, en présence d’un champ magnétique appliqué, le moment magnétique de l’électron s’aligne sur le champ magnétique appliqué et les États de spin devenus non dégénéré.

La différence d’énergie entre l’état de spin repose sur la force du champ magnétique. C’est ce qu’on appelle l’effet Zeeman.

À un champ magnétique donné, la différence d’énergie entre les États de deux spin est donnée par ΔE.

Un électron se déplace entre les États de deux spin sur l’émission ou l’absorption d’un photon avec énergie ΔE. Toutefois, cette équation s’applique à un seul, électrons libres et ne tient pas compte du fait, que les électrons dans les molécules ne se comportent pas de la même manière, comme le fait un électron isolé.

Le gradient de champ électrique de la molécule aura une influence sur le champ magnétique efficace, qui, si branché dans cette équation, définit le g-facteur un électron non apparié dans une molécule donnée dans ce simplifiée équation globale.

Pendant une expérience EPR, la fréquence est balayée, tandis que le champ est maintenu constant, permettant le calcul du facteur g fournissant des informations sur la structure électronique d’une molécule paramagnétique.

Dans cette expérience, spectroscopie RPE est utilisée pour étudier des anti-oxydants. Oxygène, ce qui est un oxydant puissant, est un triplet fondamental et donc réagit très lentement avec des molécules organiques plus. Un important, bien que souvent indésirés, réaction médiée par l’oxygène est l’autoxydation, où O₂ initie les processus radicalaire en chaîne.

Cela peut conduire à une consommation rapide de molécules organiques et de la décomposition de nombreux matériaux organiques, tels que les plastiques. Par conséquent, identifier des antioxydants efficaces pour inhiber l’autoxydation est devenu un domaine de recherche important.

Un mécanisme par lequel antioxydants peut fonctionner est en réagissant avec les radicaux intermédiaires pour inhiber les processus radicalaire en chaîne. Parce que les espèces radicalaires ont non appariées de spins, EPR est un outil précieux pour la compréhension de la chimie des antioxydants.

Maintenant regardons comment spectroscopie RPE est utilisée pour explorer le rôle du toluène dibutylhydroxy, comme antioxydant dans l’autoxydation des aldéhydes aliphatiques.

Commençons par l’autoxydation du butyraldéhyde en absence d’antioxydant. À l’aide d’un flacon de 20 mL à scintillation, dissoudre 125 mL de butyraldéhyde et 1 mg de CoCl₂·6H₂O dans 4 mL de 1, 2-dichloroéthane. Ajouter un magnétique et sceller la fiole avec un septum en caoutchouc.

Fixer le Canon d’une seringue en plastique de 1 mL sur un morceau de tuyau en caoutchouc. Insérez le tube de caoutchouc dans un ballon de latex et fixer avec un élastique et ruban isolant.

Alors gonfler le ballonnet avec l’oxygène gazeux.

Insérez l’aiguille du ballon d’oxygène remplie dans le flacon. Insérez une deuxième aiguille à travers le septum et purger la solution avec l’oxygène gazeux pendant cinq minutes. Une fois purgés, retirer l’aiguille de seconde et placez le flacon sur une assiette de remuer, remuer la réaction pendant 4 heures à température ambiante.

Lorsque la réaction est terminée, concentrer le mélange à l’aide d’un évaporateur rotatif. Ensuite, sécher le résidu sur une ligne vide élevé pendant 1 heures, et d’acquérir une ¹H-RMN dans le chloroforme deutéré.

Maintenant nous allons comparer la réaction si effectuée en présence de l’antioxydant dibutylhydroxy toluène, ou BHT. Préparer deux échantillons identiques, en dissolvant CoCl₂·6H₂O et butyraldéhyde en 1, 2-dichloroéthane à l’aide d’un flacon de 20 mL à scintillation. Ajoutez l’antioxydant pour chaque solution, suivi d’une barre de remuer et ajuster chaque flacon avec un septum en caoutchouc.

Similaire à la réaction précédente, utiliser un ballon pour purger la solution dans le flacon avec de l’oxygène, puis mélanger les réactions sous atmosphère d’oxygène pendant 4 heures à température ambiante. Après 4 heures, concentrer un des mélanges à l’aide d’un évaporateur rotatif pour une ¹H-RMN. Sécher l’échantillon sous vide élevé et utilisez cet exemple pour obtenir un ¹H-RMN. L’autre réaction sera utilisée pour l’EPR.

Allumez le spectromètre EPR et laissez l’appareil chauffer pendant 30 min. Sur l’ordinateur, accordez la cavité vide de l’instrument de l’EPR pour s’assurer qu’aucun contaminant dans l’instrument.

Mettre en place une acquisition EPR avec les paramètres présentés dans le texte. Mesurer un spectre RPE d’un tube vide d’EPR pour s’assurer qu’il n’y a aucun signal de fond depuis le tube de l’EPR ou le résonateur de l’instrument.

Ensuite, utilisez BHT et préparer une solution à 1, 2-dichloroéthane en N₂-remplis la boîte à gants. Transférer 0,5 mL de la solution dans un tube de 2 mm EPR, il couvrant avec un capuchon d’EPR-tube en plastique. Mesurer le spectre RPE du BHT en utilisant les paramètres d’acquisition mis en place précédemment.

Maintenant, utilisez le BHT contenant réaction et préparer une solution d’EPR suivant la même procédure que pour l’échantillon de BHT. Acquérir un spectre RPE en utilisant les paramètres d’acquisition mis en place précédemment.

Maintenant, nous allons comparer les réactions avec et sans l’antioxydant BHT en utilisant les données RMN et EPR.

L’auto-oxydation du butyraldéhyde fournit l’acide butyrique. Le spectre ¹H-RMN obtenu par réaction montre l’absence d’une résonance aldéhydique de C-H et la présence des résonances attendues d’acide butyrique.

En revanche, la RMN obtenue du mélange réactionnel avec ajouté BHT affiche signaux compatibles avec butyraldéhyde, sans acide butyrique présents. Partir de ces données, il est démontré que le BHT a servi comme antioxydant dans l’autoxydation aldéhyde.

Le rôle de BHT dans l’inhibition de l’autoxydation aldéhyde est éclairé par les spectres rpe a obtenu de BHT et de BHT, ajouté à la réaction d’autoxydation aldéhyde.

BHT est une molécule organique diamagnétique, ce qui signifie qu’il n’y a pas d’électrons non appariés. En conséquence, le spectre RPE du BHT n’affiche aucun signal. En revanche, le spectre RPE de la réaction d’autoxydation dans lequel BHT a été ajouté affiche un solide modèle à doublé quatre, conforme à un radical organique.

Cette partie du spectre se pose parce que la liaison O-H de BHT est faible. En présence de radicaux générés au cours de l’autoxydation, le transfert d’hydrogène de BHT assouvit le mécanisme radicalaire en chaîne et génère un radical stable axée sur l’oxygène.

Spectroscopie de résonance paramagnétique électronique est une méthode d’analyse, qui est souvent utilisée en chimie organique et inorganique pour obtenir des informations supplémentaires, annulation des méthodes courantes telles que la spectroscopie NMR ou IR.

Par exemple, EPR peut servir à l’étude des systèmes biologiques tels que le métabolisme des cyanobactéries. Les cyanobactéries sont en suspension dans une solution contenant un radical trityle et placés dans une sonde d’imagerie. L’échantillon est irradié de lumière et de la concentration radicale, mesurée en fonction du temps.

Cette étude a montré que la concentration de trytil a diminué sous la lumière, mais est resté constante dans l’obscurité, ce qui démontre que l’activité métabolique est dépendante de la lumière.

Molécules avec des électrons non appariés peuvent être difficiles à caractériser uniquement avec la RMN, spectroscopie RPE est donc fréquemment utilisée pour analyser des radicaux organiques plus en détail. Spectres rpe expérimentaux délimitent le g-facteur de l’électron non apparié, fournissant des informations sur la structure électronique du centre paramagnétique.

En outre, les spins nucléaires de noyaux avec l’électron non apparié, ainsi que les noyaux voisins, influencent le moment magnétique d’un électron, donnant lieu à fractionnement supplémentaire de l’États de spin et de plusieurs lignes dans le spectre RPE. La résultante hyperfin et super-hyperfine couplage fournit davantage d’informations sur la structure électronique de la molécule

Vous avez juste regardé introduction de Jupiter à la spectroscopie de résonance paramagnétique électronique. Vous devez maintenant être familiarisé avec les principes de l’EPR, l’autoxydation, une réaction d’autoxydation et diverses applications de la spectroscopie RPE. Comme toujours, Merci pour regarder !

Results

L’auto-oxydation du butyraldéhyde fournit l’acide butyrique. Le spectre de RMN H ¹lors de la réaction réalisée à l’étape 1 indique l’absence d’une résonance aldéhydique de C-H et la présence des résonances attendues d’acide butyrique. En revanche, la RMN obtenue du mélange réactionnel à l’étape 2 (avec ajout BHT) affiche des signaux compatibles avec butyraldéhyde, sans acide butyrique présents. Partir de ces données, on observe que le butyraldéhyde a servi comme un antioxydant en aldéhyde autoxydation.

Le rôle de BHT dans l’inhibition de l’autoxydation aldéhyde est éclairé par les spectres rpe a obtenu de BHT et de BHT, ajouté à la réaction d’autoxydation aldéhyde. BHT est une molécule organique diamagnétique, ce qui signifie qu’il n’y a pas d’électrons non appariés. En conséquence, le spectre RPE du BHT n’affiche aucun signal. En revanche, le spectre RPE de la réaction d’autoxydation dans lequel BHT a été ajouté affiche un solide modèle à doublé quatre, conforme à un radical organique. Cette partie du spectre se pose parce que la liaison O-H de BHT est faible et en présence de radicaux générés au cours de l’autoxydation, transfert d’atome d’H de BHT assouvit le mécanisme radicalaire en chaîne et génère un radical stable axée sur l’O.

Applications and Summary

Dans cette expérience, nous avons exploré le rôle des antioxydants dans l’inhibition de l’autoxydation chimie. Nous avons sondé le mécanisme d’inhibition à l’aide de la spectroscopie RPE, qui a révélé que BHT sert en tant qu’antioxydant par trempe réactifs intermédiaires radicalaires via transfert d’un atome H.

Molécules avec des électrons non appariés peuvent être difficiles à caractériser par RMN et donc spectroscopie RPE offrent souvent des informations utiles et complémentaires au sujet de ces espèces. Spectroscopie RPE est une technique expérimentale qui est fréquemment utilisée pour détecter et caractériser des radicaux organiques. En outre, paramagnétiques complexes inorganiques affichent aussi fréquemment des spectres rpe qui peuvent être instructifs pour la caractérisation. Spectres rpe expérimentaux délimitent le g-facteur de l’électron non apparié, qui fournit des informations sur la structure électronique du centre paramagnétique. En outre, les spins nucléaires de noyaux possédant un électron non apparié, mais aussi les noyaux voisins également influencent le moment magnétique d’un électron, donnant lieu à un fractionnement supplémentaire des États m_s et de plusieurs lignes dans le spectre RPE. La résultante hyperfin et super-hyperfine couplage fournit davantage d’informations sur la structure électronique de la molécule.

En plus de décrire les espèces organiques et inorganiques de couches ouvertes, la sensibilité exquise de spectroscopie RPE est essentielle à l’application aux systèmes bioinorganique, où la concentration de cofacteurs métalliques est faible. Spectres rpe sont systématiquement utilisés en chimie bioinorganique pour fournir des informations directes sur les structures et les États d’oxydation des ions métalliques au cœur des enzymes.

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!

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