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La spettroscopia di risonanza paramagnetica elettronica, o EPR, è una tecnica importante per la caratterizzazione di composti paramagnetici, come i composti con elettroni spaiati.
L'EPR ha molte applicazioni importanti nello studio dei radicali organici, dei complessi inorganici paramagnetici e della chimica bioinorganica.
Questo video illustrerà i principi di base alla base della risonanza paramagnetica elettronica, l'uso dell'EPR per studiare il dibutilidrossitoluene e il suo comportamento antiossidante nell'autossidazione delle aldeidi alifatiche e discuterà alcune applicazioni.
L'EPR è una tecnica spettroscopica che viene utilizzata per studiare molecole con elettroni spaiati misurando le transizioni di spin degli elettroni.
Un elettrone ha un numero quantico di spin di 1/2, che ha componenti magnetiche di +1/2 o -1/2.
In assenza di un campo magnetico, l'energia dei due stati di spin è equivalente. Tuttavia, in presenza di un campo magnetico applicato, il momento magnetico dell'elettrone si allinea con il campo magnetico applicato e gli stati di spin diventano non degeneri.
La differenza di energia tra lo stato di spin dipende dall'intensità del campo magnetico. Questo è chiamato effetto Zeeman.
Ad un dato campo magnetico, la differenza di energia tra i due stati di spin è data da ?E.
Un elettrone si muove tra i due stati di spin dopo l'emissione o l'assorbimento di un fotone con energia ?E. Tuttavia, questa equazione si applica a un singolo elettrone libero e non tiene conto del fatto che gli elettroni all'interno delle molecole non si comportano allo stesso modo di un elettrone isolato.
Il gradiente del campo elettrico della molecola influenzerà il campo magnetico effettivo, che, se inserito in questa equazione, definisce il fattore g per un elettrone spaiato in una data molecola in questa equazione generale semplificata.
Durante un esperimento EPR, la frequenza viene spazzata, mentre il campo viene mantenuto costante, consentendo il calcolo del fattore g che fornisce informazioni sulla struttura elettronica di una molecola paramagnetica.
In questo esperimento, la spettroscopia EPR viene utilizzata per studiare gli antiossidanti. L'ossigeno, che è un forte ossidante, è una tripletta dello stato fondamentale e quindi reagisce abbastanza lentamente con la maggior parte delle molecole organiche. Una reazione importante, anche se spesso indesiderata, mediata dall'ossigeno è l'autossidazione, in cui l'O2 avvia processi a catena radicalica.
Questo può portare a un rapido consumo di molecole organiche e alla decomposizione di molti materiali organici, come la plastica. Pertanto, l'identificazione di antiossidanti efficaci per inibire l'autossidazione è diventato un importante campo di ricerca.
Un meccanismo attraverso il quale gli antiossidanti possono funzionare è reagendo con gli intermedi radicalici per inibire i processi a catena dei radicali. Poiché le specie radicali hanno spin spaiati, l'EPR è uno strumento prezioso per comprendere la chimica degli antiossidanti.
Ora diamo un'occhiata a come la spettroscopia EPR viene utilizzata per esplorare il ruolo del dibutilidrossi toluene, come antiossidante nell'autossidazione delle aldeidi alifatiche.
Partiamo dall'autossidazione della butirraldeide in assenza di un antiossidante. Utilizzando un flaconcino di scintillazione da 20 mL, sciogliere 125 mL di butirraldeide e 1 mg di CoCl2?6H2O?in 4 mL di 1,2-dicloroetano. Aggiungere un'ancoretta magnetica e sigillare la fiala con un setto di gomma.
Collegare il fusto di una siringa di plastica da 1 ml a un breve pezzo di tubo di gomma. Inserire il tubo di gomma in un palloncino di lattice e fissarlo con un elastico e del nastro isolante. Quindi gonfiare il palloncino con ossigeno gassoso.
Inserire l'ago del palloncino riempito di ossigeno nella fiala. Inserire un secondo ago attraverso il setto e spurgare la soluzione con ossigeno gassoso per cinque minuti. Una volta spurgato, estrarre il secondo ago e posizionare la fiala su una piastra di agitazione, mescolando la reazione per 4 ore a temperatura ambiente.
Al termine della reazione, concentrare la miscela utilizzando un evaporatore rotante. Quindi, asciugare il residuo su una linea ad alto vuoto per 1 ora e acquisire un 1H-NMR in cloroformio deuterato.
Confrontiamo ora la reazione se effettuata in presenza dell'antiossidante dibutilidrossi toluene, o BHT. Preparare due campioni identici, sciogliendo CoCl2?6H2O?e butirraldeide in 1,2-dicloroetano utilizzando un flaconcino a scintillazione da 20 mL. Aggiungere l'antiossidante a ciascuna soluzione, seguito da una barra di agitazione, e montare ogni fiala con un setto di gomma.
Simile alla reazione precedente, utilizzare un palloncino per spurgare la soluzione nelle fiale con ossigeno, quindi mescolare le reazioni sotto l'atmosfera di ossigeno per 4 ore a temperatura ambiente. Dopo 4 ore, concentrare una delle miscele utilizzando un evaporatore rotante per un 1H-NMR. Asciugare il campione in alto vuoto e utilizzare questo campione per ottenere un 1H-NMR. L'altra reazione sarà utilizzata per l'EPR.
Accendere lo spettrometro EPR e lasciare che lo strumento si riscaldi per 30 minuti. Sul computer, regolare la cavità vuota dello strumento EPR per assicurarsi che non vi siano contaminanti nello strumento.
Impostare un'acquisizione EPR con i parametri indicati nel testo. Misurare lo spettro EPR di un tubo EPR vuoto per assicurarsi che non vi siano segnali di fondo né dal tubo EPR né dal risonatore dello strumento.
Quindi, utilizzare BHT e preparare una soluzione in 1,2-dicloroetano in una scatola a guanti riempita di N2. Trasferire 0,5 mL della soluzione in una provetta EPR da 2 mm, tappandola con un tappo di plastica per provette EPR. Misurare lo spettro EPR di BHT utilizzando i parametri di acquisizione impostati in precedenza.
A questo punto, utilizzare la reazione contenente BHT e preparare una soluzione EPR seguendo la stessa procedura del campione BHT. Acquisire uno spettro EPR utilizzando i parametri di acquisizione impostati in precedenza.
Ora, confrontiamo le reazioni con e senza l'antiossidante BHT utilizzando i dati NMR ed EPR.
L'autossidazione della butirraldeide fornisce acido butirrico. Lo spettro 1H-NMR ottenuto dalla reazione mostra la mancanza di una risonanza aldeidica C-H e la presenza delle risonanze attese dall'acido butirrico.
Al contrario, l'NMR ottenuto dalla miscela di reazione con l'aggiunta di BHT mostra segnali coerenti con la butirraldeide, senza la presenza di acido butirrico. Da questi dati, è dimostrato che il BHT è servito come antiossidante nell'autossidazione dell'aldeide.
Il ruolo del BHT nell'inibire l'autossidazione dell'aldeide è illuminato dagli spettri EPR ottenuti di BHT e di BHT aggiunti alla reazione di autossidazione dell'aldeide.
Il BHT è una molecola organica diamagnetica, il che significa che non ci sono elettroni spaiati. Di conseguenza, lo spettro EPR del BHT non visualizza alcun segnale. Al contrario, lo spettro EPR della reazione di autossidazione in cui è stato aggiunto BHT mostra un forte pattern a quattro linee, coerente con un radicale organico.
Questo spettro si verifica perché il legame O-H del BHT è debole. In presenza di radicali generati durante l'autossidazione, il trasferimento di idrogeno dal BHT estingue il meccanismo della catena radicalica e genera un radicale stabile centrato sull'ossigeno.
La spettroscopia di risonanza paramagnetica elettronica è un metodo analitico, che viene spesso utilizzato in chimica organica e inorganica per ottenere informazioni aggiuntive, oltre ai metodi comuni come la spettroscopia NMR o IR.
Ad esempio, l'EPR può essere utilizzata per studiare sistemi biologici come il metabolismo dei cianobatteri. I cianobatteri sono sospesi in una soluzione contenente radicale tritile e posti in una sonda di imaging. Il campione viene irradiato con luce e la concentrazione di radicali viene misurata rispetto al tempo.
Questo studio ha dimostrato che la concentrazione di trytil diminuiva alla luce, ma rimaneva costante al buio, dimostrando che l'attività metabolica dipende dalla luce.
Le molecole con elettroni spaiati possono essere difficili da caratterizzare solo con la risonanza magnetica nucleare, quindi la spettroscopia EPR viene spesso utilizzata per analizzare i radicali organici in modo più dettagliato. Gli spettri sperimentali EPR delineano il fattore g dell'elettrone spaiato, fornendo informazioni sulla struttura elettronica del centro paramagnetico.
Inoltre, gli spin nucleari dei nuclei con l'elettrone spaiato, così come i nuclei vicini, influenzano il momento magnetico di un elettrone, dando origine a un'ulteriore scissione degli stati di spin e a più righe nello spettro EPR. L'accoppiamento iperfine e super-iperfine risultante fornisce ulteriori informazioni sulla struttura elettronica della molecola
Hai appena visto l'introduzione di JoVE alla spettroscopia di risonanza paramagnetica elettronica. Ora dovresti avere familiarità con i principi dell'EPR, dell'autossidazione, di una reazione di autossidazione e delle varie applicazioni della spettroscopia EPR. Come sempre, grazie per la visione!