6.21: 電子常磁性共鳴 (EPR) 分光法

1. ブチルアルデヒドの酸化安定性評価

1. 準備ソリューション ブチルアルデヒド (100 mg) と CoCl₂·6H₂O の (1 mg) 1, 2-ジクロロエタン (DCE) (4 mL) 20 mL シンチレーション バイアルで。電磁攪拌棒を追加し、ゴムキャップでバイアルをフィットします。
2. 1 mL プラスチック注射器のバレルをゴム製管の短い部分に取り付けます。ラテックス風船のゴム製管の挿入、ゴムバンドと絶縁テープ ・ チューブにバルーンを固定します。O₂ラテックス風船を膨らませます。
3. 反応バイアルに O₂バルーンの針を挿入します。2 つ目の針を挿入鼻中隔し O₂の反応容器のヘッド スペースを削除します。
4. O₂雰囲気下で 4 時間室温で反応を攪拌撹拌プレートを使用します。
5. ロータリーエバポレーターを使用して反応混合物を集中し、CDCl₃の結果として得られる油性残留物の¹H-NMR スペクトルを取る。

2. ブチルアルデヒドの酸化安定性評価のために酸化防止剤として BHT を使用してください。

下記のとおり 2 つのバイアルを設定します。製品分布を分析する使用は 1 つ、1 つは EPR 分光法の手順 3 で使用します。

1. ブチルアルデヒド (100 mg) と溶液 CoCl₂·6H₂O (1 mg) 20 mL シンチレーション バイアルの dce (4 mL) を準備します。BHT (10 mg) をソリューションに追加します。電磁攪拌棒を追加し、ゴムキャップでバイアルをフィットします。
2. 1 mL プラスチック注射器のバレルをゴム製管の短い部分に取り付けます。ラテックス風船のゴム製管の挿入、ゴムバンドと絶縁テープ ・ チューブにバルーンを固定します。O₂ラテックス風船を膨らませます。
3. 反応バイアルに O₂バルーンの針を挿入します。2 つ目の針を挿入鼻中隔し O₂の反応容器のヘッド スペースを削除します。
4. O₂雰囲気下で 4 時間室温で反応を攪拌撹拌プレートを使用します。
5. ロータリーエバポレーターを使用して反応混合物を集中し、CDCl₃の結果として得られる油性残留物の¹H-NMR スペクトルを取る。

3. EPR スペクトルを測定

1. EPR 分光器を有効にし、ウォーム アップに、次のパラメーターで EPR 集録 30 分セットの楽器: センター フィールド 3,345 G、スイープ幅 100 G、スイープ時間 55 秒、時定数 10 ms、MW 電力 5 mW、変調 100 kHz、と変調振幅 1 G
2. EPR チューブまたは計測器の共振器からバック グラウンド信号がないことを確認するための空の EPR 管の EPR スペクトルを測定します。
3. N₂の DCE で BHT のソリューションを準備-グローブ ボックスを充填します。EPR チューブに溶液 0.5 mL を転送し、アクイジション ・ パラメーターは 3.1 の手順で設定を使用して BHT の EPR スペクトルを測定します。
4. 0.5 mL から BHT 付加反応液の EPR チューブ ステップ 2 とを取得し、ステップ 3.1 で設定集録パラメーターを用いた EPR スペクトルを転送します。

酸素がいっぱいのバルーンの針をバイアルに挿入します。隔壁を介して、2 つ目の針を挿入し、5 分間酸素ガスとソリューションを削除します。一度削除された 2 番目の針を撤回し、4 時間の反応を室温で攪拌撹拌プレートにバイアルを配置します。

反応が完了したら、ロータリーエバポレーターを使用して混合物を集中します。1 時間,の高真空ラインの残渣を乾燥し、 ¹H NMR 重水素クロロホルムを取得します。

電子常磁性共鳴(ESR)分光法は、不対電子を持つ化合物などの常磁性化合物の特性評価のための重要な手法です。

ESRは、有機ラジカル、常磁性無機複合体、および生物無機化学の研究において多くの重要な用途があります。

このビデオでは、電子常磁性共鳴の背後にある基本原理、ESRを使用してジブチルヒドロキシトルエンを研究する方法、および脂肪族アルデヒドの自動酸化におけるその抗酸化作用について説明し、いくつかのアプリケーションについて説明します。

ESRは、電子スピン遷移を測定することにより、不対電子を持つ分子を研究するために使用される分光技術です。

電子のスピン量子数は1/2で、磁性成分は+1/2または-1/2です。

磁場がない場合、2つのスピン状態のエネルギーは同等です。しかし、印加された磁場の存在下では、電子の磁気モーメントは印加された磁場と整列し、スピン状態は非縮退になります。

スピン状態間のエネルギー差は、磁場の強さに依存します。これをゼーマン効果といいます。

与えられた磁場では、2つのスピン状態間のエネルギー差は?E.

によって与えられます。エネルギー?Eを持つ光子の放出または吸収により、電子は2つのスピン状態間を移動します。ただし、この方程式は単一の自由電子に適用され、分子内の電子が孤立した電子と同じように振る舞わないという事実は考慮されていません。

分子の電場勾配は有効磁場に影響を与え、この方程式に当てはめると、この単純化された全体方程式で特定の分子内の不対電子のg係数が定義されます。

ESR実験では、磁場を一定に保ちながら周波数を掃引し、常磁性分子の電子構造に関する情報を提供するgファクターの計算を可能にします。

この実験では、ESR分光法を使用して抗酸化物質を研究します。強力な酸化剤である酸素は基底状態のトリプレットであるため、ほとんどの有機分子と非常にゆっくりと反応します。酸素によって媒介される重要な反応の1つは、しばしば望ましくない反応であり、O2がラジカル連鎖プロセスを開始する自動酸化です。

これにより、有機分子が急速に消費され、プラスチックなどの多くの有機材料が分解される可能性があります。そのため、自動酸化を阻害する効果的な抗酸化物質を特定することは、重要な研究分野となっています。

抗酸化物質が機能するメカニズムの1つは、ラジカル中間体と反応してラジカル連鎖プロセスを阻害することです。ラジカル種は不対スピンを持つため、ESRは抗酸化物質の化学的性質を理解するための貴重なツールです。

次に、脂肪族アルデヒドの自動酸化における抗酸化剤としてのジブチルヒドロキシトルエンの役割を探るために、ESR分光法がどのように使用されているかを見てみましょう。

酸化防止剤がない場合のブチルアルデヒドの自動酸化から始めましょう。20 mLシンチレーションバイアルを使用して、125 mLのブチルアルデヒドと1 mgのCoCl2?6H2Oを4 mLの1,2-ジクロロエタンに溶解します。.マグネチックスターバーを追加し、バイアルをゴム製のセプタムで密封します。

1 mLプラスチックシリンジのバレルを短いゴムチューブに取り付けます。ゴムチューブをラテックスバルーンに挿入し、ゴムバンドと電気テープで固定します。次に、酸素ガスでバルーンを膨らませます。

酸素を充填したバルーンの針をバイアルに挿入します。セプタムに2本目の針を挿入し、溶液を酸素ガスで5分間パージします。パージしたら、2本目の針を引き出し、バイアルを攪拌板に置き、室温で4時間反応を撹拌します。

反応が終了したら、ロータリーエバポレーターを使用して混合物を濃縮します。その後、残渣を高真空ラインで1時間乾燥させ、重水素化クロロホルム中で1H-NMRを得ます。

次に、抗酸化物質であるジブチルヒドロキシトルエン、またはBHTの存在下で行われた場合の反応を比較してみましょう。20 mLシンチレーションバイアルを使用して、CoCl2、6H2O、およびブチルアルデヒドを1,2-ジクロロエタンに溶解することにより、2つの同一のサンプルを調製します。各溶液に抗酸化剤を加え、続いて攪拌子を加え、各バイアルにゴム製の中隔を取り付けます。

前の反応と同様に、バルーンを使用してバイアル内の溶液を酸素でパージし、酸素雰囲気下で室温で4時間反応を攪拌します。4時間後、1H-NMR用のロータリーエバポレーターを使用して混合物の1つを濃縮します。試料を高真空で乾燥させ、この試料を用いて1H-NMRを得ます。他の反応はESRに使用されます。

ESR分光計の電源を入れ、機器を30分間ウォームアップします。コンピューターで、EPR機器の空の空洞を調整して、機器に汚染物質がないことを確認します。

テキストに記載されているパラメーターを使用して EPR 集録を設定します。空のESRチューブのESRスペクトルを測定し、ESRチューブまたは機器共振器からのバックグラウンド信号がないことを確認します。

次に、BHTを使用し、N2充填グローブボックスに1,2-ジクロロエタン溶液を調製します。0.5 mLの溶液を2 mmのEPRチューブに移し、プラスチック製のEPRチューブキャップでキャップします。以前に設定した取得パラメータを使用して、BHTのESRスペクトルを測定します。

次に、BHTを含む反応液を使用し、BHTサンプルと同じ手順に従ってESR溶液を調製します。以前に設定した取得パラメータを使用してESRスペクトルを取得します。

では、NMRとESRのデータを用いて、BHT抗酸化物質を使用した場合と使用しない場合の反応を比較してみましょう。

ブチルアルデヒドの自動酸化により、酪酸が得られます。反応から得られた1H-NMRスペクトルは、アルデヒドC-H共鳴の欠如と、酪酸に期待される共鳴の存在を示しています。

対照的に、BHTを添加した反応混合物から得られたNMRは、酪酸を存在させず、ブチルアルデヒドと一致するシグナルを示します。これらのデータから、BHTはアルデヒド自動酸化の抗酸化剤として機能していることが示されています。

アルデヒド自動酸化の阻害におけるBHTの役割は、BHTとアルデヒド自動酸化反応に添加されたBHTから得られるESRスペクトルによって明らかになります。

BHTは反磁性有機分子であり、不対電子は存在しません。したがって、BHTのESRスペクトルは信号を表示しません。対照的に、BHTを添加した自動酸化反応のESRスペクトルは、有機ラジカルと一致する強い4本線パターンを示します。

このスペクトルは、BHTのOH結合が弱いために発生します。自動酸化中に生成されるラジカルの存在下では、BHTからの水素移動によりラジカル鎖のメカニズムがクエンチングされ、安定した酸素中心ラジカルが生成されます。

電子常磁性共鳴分光法は、NMRやIR分光法などの一般的な方法とは別に、有機化学や無機化学で追加情報を得るためによく使用される分析方法です。

例えば、ESRはシアノバクテリアの代謝などの生物学的システムの研究に利用することができます。シアノバクテリアをトリチルラジカルを含む溶液に懸濁し、イメージングプローブに入れます。試料に光を照射し、ラジカル濃度を時間に対して測定します。

この研究では、光下ではトリチル濃度が減少するが、暗闇では一定に保たれることが示され、代謝活性が光に依存することが示された。

不対電子を持つ分子は、NMRのみでは特性評価が難しい場合があるため、ESR分光法は有機ラジカルをより詳細に分析するためによく使用されます。実験的なESRスペクトルは、不対電子のg因子を描き、常磁性中心の電子構造に関する情報を提供します。

さらに、不対電子を持つ原子核の核スピンは、隣接する原子核と同様に、電子の磁気モーメントに影響を与え、スピン状態のさらなる分裂とESRスペクトルの複数の線を引き起こします。結果として得られる超微細結合と超超微細結合は、分子の電子構造に関するさらなる情報を提供します

JoVEの電子常磁性共鳴分光法の紹介をご覧になりました。これで、ESR、自動酸化、自動酸化反応、およびESR分光法のさまざまなアプリケーションの原理に精通しているはずです。いつものように、ご覧いただきありがとうございます!