전자 파라마그네틱 공명 (EPR) 분광법
출처: 데이비드 C. 파워스, 타마라 엠 파워스, 텍사스 A&M
이 비디오에서는 전자 파라기 공명 (EPR)의 기본 원칙을 배우게됩니다. 우리는 EPR 분광법을 사용하여 dibutylhydroxy toluene (BHT)가 aliphatic aldehydes의 자동 x…
1. 부티랄데히드의 자동축화
- 부티랄데히드(100 mg)와 CoCl2·6H2O(1 mg)의 용액을 20mL 신자극바이알에서 1,2-디클로로에탄(DCE) (4mL)에서 준비한다. 마그네틱 스터디 바를 추가하고 고무 중격에 바이알을 맞춥시다.
- 고무 튜브의 짧은 조각에 1 mL 플라스틱 주사기의 배럴을 부착합니다. 고무 튜브를 라텍스 풍선에 삽입하고 고무 밴드와 전기 테이프로 풍선을 튜브에 고정시하십시오. O2로라텍스 풍선을 팽창시다.
- 반응 바이알에 O2 풍선의 바늘을 삽입합니다. 중격에 두 번째 바늘을 삽입하고 O2로반응 용기의 헤드 스페이스를 제거한다.
- 교반판을 사용하여O2 대기 하에서 4시간 동안 실온에서 반응을 저어줍니다.
- 회전 증발기를 사용하여 반응 혼합물을 농축하고 CDCl3에서생성된 유성 잔류물의 1HNMR 스펙트럼을 취한다.
2. 부티랄데히드의 자동 축화를 위한 항산화제로 BHT를 사용
아래에 설명된 대로 두 개의 바이알을 설정합니다. 하나는 제품 분포를 분석하는 데 사용되며 EPR 분광법에 대한 3 단계에서 사용할 것입니다.
- 20mL 신자극성 유리병에 부티랄데히드(100 mg)와 CoCl2·6H2O(1 mg)의 용액을 DCE(4mL)로 준비한다. 솔루션에 BHT(10 mg)를 추가합니다. 마그네틱 스터디 바를 추가하고 고무 중격에 바이알을 맞춥시다.
- 고무 튜브의 짧은 조각에 1 mL 플라스틱 주사기의 배럴을 부착합니다. 고무 튜브를 라텍스 풍선에 삽입하고 고무 밴드와 전기 테이프로 풍선을 튜브에 고정시하십시오. O2로라텍스 풍선을 팽창시다.
- 반응 바이알에 O2 풍선의 바늘을 삽입합니다. 중격에 두 번째 바늘을 삽입하고 O2로반응 용기의 헤드 스페이스를 제거한다.
- 교반판을 사용하여O2 대기 하에서 4시간 동안 실온에서 반응을 저어줍니다.
- 회전 증발기를 사용하여 반응 혼합물을 농축하고 CDCl3에서생성된 유성 잔류물의 1HNMR 스펙트럼을 취한다.
3. EPR 스펙트럼 측정
- EPR 분광기를 켜고 악기를 30분 동안 따뜻하게 해보세요. 센터 필드 3,345 G, 스윕 폭 100 G, 스윕 시간 55 s, 시간 상수 10 ms, MW 파워 5 mW, 변조 100 kHz 및 변조 진폭 1 G : 다음과 같은 매개 변수로 EPR 인수를 설정합니다.
- 빈 EPR 튜브의 EPR 스펙트럼을 측정하여 EPR 튜브 또는 계측기 공진기의 배경 신호가 없는지 확인합니다.
- N2-채워진장갑 상자에 DCE에서 BHT의 솔루션을 준비합니다. 솔루션의 0.5mL을 EPR 튜브로 전송하고 3.1 단계에서 설정된 획득 매개 변수를 사용하여 BHT의 EPR 스펙트럼을 측정합니다.
- BHT 첨가 반응 용액의 0.5mL를 2단계에서 EPR 튜브로 전송하고 3.1단계에서 설정된 획득 파라미터를 사용하여 EPR 스펙트럼을 획득 및 EPR 스펙트럼을 획득한다.
전자 상자성 공명(EPR) 분광법은 짝을 이루지 않은 전자를 가진 화합물과 같은 상자성 화합물의 특성을 규명하는 데 중요한 기술입니다.
EPR은 유기 라디칼, 상자성 무기 복합체 및 생물 무기 화학 연구에서 많은 중요한 응용 분야를 가지고 있습니다.
이 비디오는 전자 상자성 공명의 기본 원리, EPR을 사용하여 디부틸하이드록시 톨루엔 및 지방족 알데히드의 자율산화에서 항산화 작용을 연구하고 몇 가지 응용 분야에 대해 설명합니다.
EPR은 전자 스핀 전이를 측정하여 짝을 이루지 않은 전자를 가진 분자를 연구하는 데 사용되는 분광 기술입니다.
전자는 +1/2 또는 -1/2의 자기 성분을 갖는 1/2의 스핀 양자 수를 갖습니다.
자기장이 없는 경우 두 스핀 상태의 에너지는 동일합니다. 그러나 적용된 자기장이 있는 경우 전자의 자기 모멘트가 적용된 자기장과 정렬되고 스핀 상태가 비퇴화됩니다.
스핀 상태 간의 에너지 차이는 자기장의 강도에 따라 달라집니다. 이를 지먼 효과(Zeeman effect)라고 합니다.
주어진 자기장에서 두 스핀 상태 사이의 에너지 차이는 ?E.
전자는 에너지 ?E를 가진 광자의 방출 또는 흡수 시 두 스핀 상태 사이를 이동합니다. 그러나 이 방정식은 단일 자유 전자에 적용되며 분자 내의 전자가 고립된 전자와 같은 방식으로 행동하지 않는다는 사실을 설명하지 않습니다.
분자의 전기장 구배는 유효 자기장에 영향을 미치며, 이 방정식에 연결하면 이 단순화된 전체 방정식에서 주어진 분자에서 짝을 이루지 않은 전자에 대한 g 계수를 정의합니다.
EPR 실험 중에는 자기장이 일정하게 유지되는 동안 주파수가 스윕되어 상자성 분자의 전자 구조에 대한 정보를 제공하는 g 계수를 계산할 수 있습니다.
이 실험에서는 EPR 분광법을 사용하여 항산화제를 연구합니다. 강력한 산화제인 산소는 기저 상태 삼중항이므로 대부분의 유기 분자와 매우 느리게 반응합니다. 산소에 의해 매개되는 중요한 반응 중 하나는 O2가 라디칼 체인 과정을 시작하는 자가산화(autooxidation)입니다.
이로 인해 유기 분자가 빠르게 소비되고 플라스틱과 같은 많은 유기 물질이 분해될 수 있습니다. 따라서 자가산화를 억제하는 효과적인 항산화제를 식별하는 것이 중요한 연구 분야가 되었습니다.
산화 방지제가 기능할 수 있는 한 가지 메커니즘은 라디칼 중간체와 반응하여 라디칼 사슬 과정을 억제하는 것입니다. 라디칼 종은 짝을 이루지 않은 스핀을 가지고 있기 때문에 EPR은 항산화제의 화학적 성질을 이해하는 데 유용한 도구입니다.
이제 EPR 분광법을 사용하여 지방족 알데히드의 자동 산화에서 항산화제로서 디부틸하이드록시 톨루엔의 역할을 탐구하는 방법을 살펴보겠습니다.
항산화제가 없는 상태에서 부티르알데히드의 자산화부터 시작하겠습니다. 20mL 섬광 바이알을 사용하여 125mL의 부티르알데히드와 1mg의 CoCl2?6H2O?를 1,2-디클로로에탄 4mL에 용해시킵니다. 마그네틱 교반 막대를 추가하고 바이알을 고무 격막으로 밀봉합니다.
1mL 플라스틱 주사기 배럴을 짧은 고무 튜브에 부착합니다. 고무 튜브를 라텍스 풍선에 삽입하고 고무 밴드와 전기 테이프로 고정합니다. 그런 다음 풍선에 산소 가스를 주입합니다.
산소가 채워진 풍선의 바늘을 바이알에 삽입합니다. 격막을 통해 두 번째 바늘을 삽입하고 5분 동안 산소 가스로 용액을 퍼지합니다. 퍼지가 끝나면 두 번째 바늘을 빼내고 바이알을 교반 플레이트에 놓고 실온에서 4시간 동안 반응을 교반합니다.
반응이 끝나면 회전 증발기를 사용하여 혼합물을 농축하십시오. 그런 다음 고진공 라인에서 잔류물을 1시간 동안 건조하고 중수소화 클로로포름에서 1H-NMR을 획득합니다.
이제 항산화 물질인 디부틸하이드록시 톨루엔(BHT)이 있는 상태에서 수행되는 경우 반응을 비교해 보겠습니다. 20mL 섬광 바이알을 사용하여 1,2-디클로로에탄에 CoCl2?6H2O?와 부티르알데히드를 용해하여 두 개의 동일한 샘플을 준비합니다. 각 용액에 항산화제를 첨가한 다음 교반 막대를 넣고 각 바이알에 고무 격막을 끼웁니다.
이전 반응과 유사하게 풍선을 사용하여 바이알의 용액을 산소로 퍼지한 다음 실온에서 4시간 동안 산소 분위기 하에서 반응을 교반합니다. 4 시간 후, 1H-NMR 용 회전 증발기를 사용하여 혼합물 중 하나를 농축합니다. 샘플을 고진공에서 건조시키고 이 샘플을 사용하여 1H-NMR을 얻습니다. 다른 반응은 EPR에 사용됩니다.
EPR 분광계를 켜고 기기를 30분 동안 예열합니다. 컴퓨터에서 EPR 기기의 빈 캐비티를 조정하여 기기에 오염 물질이 없는지 확인합니다.
텍스트에 명시된 매개변수를 사용하여 EPR 획득을 설정합니다. 빈 EPR 튜브의 EPR 스펙트럼을 측정하여 EPR 튜브 또는 기기 공진기에서 백그라운드 신호가 없는지 확인합니다.
그런 다음 BHT를 사용하고 N2로 채워진 글로브 박스에 1,2-디클로로에탄의 용액을 준비합니다. 용액 0.5mL를 2mm EPR 튜브로 옮기고 플라스틱 EPR 튜브 캡으로 캡을 씌웁니다. 이전에 설정한 획득 파라미터를 사용하여 BHT의 EPR 스펙트럼을 측정합니다.
이제 BHT 함유 반응을 사용하여 BHT 샘플과 동일한 절차에 따라 EPR 용액을 준비합니다. 이전에 설정한 획득 파라미터를 사용하여 EPR 스펙트럼을 획득합니다.
이제 NMR 및 EPR 데이터를 사용하여 BHT 항산화제가 있는 경우와 없는 경우의 반응을 비교해 보겠습니다.
부티르알데히드의 자산화는 부티르산을 제공합니다. 반응에서 얻은 1H-NMR 스펙트럼은 알데히드 C-H 공명의 부족과 부티르산에서 예상되는 공명의 존재를 보여줍니다.
대조적으로, BHT가 첨가된 반응 혼합물에서 얻은 NMR은 부티르산이 존재하지 않고 부티르알데히드와 일치하는 신호를 표시합니다. 이러한 데이터로부터, BHT는 알데히드 자율산화에서 항산화제 역할을 한 것으로 나타났습니다.
알데히드 자율산화를 억제하는 BHT의 역할은 BHT와 알데히드 자율산화 반응에 첨가된 BHT에서 얻은 EPR 스펙트럼에 의해 조명됩니다.
BHT는 반자성 유기 분자로, 짝을 이루지 않은 전자가 없음을 의미합니다. 따라서, BHT의 EPR 스펙트럼은 신호를 나타내지 않는다. 대조적으로, BHT가 첨가된 자산화 반응의 EPR 스펙트럼은 유기 라디칼과 일치하는 강력한 4줄 패턴을 나타냅니다.
이 스펙트럼은 BHT의 O-H 결합이 약하기 때문에 발생합니다. 자산화(autoxidation) 중에 생성된 라디칼이 존재할 때, BHT로부터의 수소 전달은 라디칼 사슬 메커니즘을 소멸시키고 안정적인 산소 중심 라디칼을 생성합니다.
전자 상자성 공명 분광법은 NMR 또는 IR 분광법과 같은 일반적인 방법 외에 추가 정보를 얻기 위해 유기 및 무기 화학에서 자주 사용되는 분석 방법입니다.
예를 들어, EPR은 시아노박테리아의 신진대사와 같은 생물학적 시스템을 연구하는 데 사용할 수 있습니다. 시아노박테리아는 트리틸 라디칼을 함유한 용액에 부유하여 이미징 프로브에 넣습니다. 샘플에 빛과 시간에 따라 측정된 라디칼 농도가 조사됩니다.
위치이 연구는 트리틸 농도가 빛 아래에서는 감소하지만 어둠 속에서는 일정하게 유지되는 것을 보여주었으며, 이는 신진대사 활동이 빛에 의존한다는 것을 보여주었습니다.
짝을 이루지 않은 전자를 가진 분자는 NMR만으로 특성화하기 어려울 수 있으므로 EPR 분광법은 유기 라디칼을 보다 자세히 분석하는 데 자주 사용됩니다. 실험적 EPR 스펙트럼은 짝을 이루지 않은 전자의 g-factor를 묘사하여 상자성 중심의 전자 구조에 대한 정보를 제공합니다.
또한, 짝을 이루지 않은 전자가 있는 핵과 인접한 핵의 핵 스핀은 전자의 자기 모멘트에 영향을 미쳐 스핀 상태와 EPR 스펙트럼의 여러 라인의 추가 분할을 일으킵니다. 그 결과 생성된 초미세 및 초미세 결합은 분자의 전자 구조에 대한 추가 정보를 제공합니다.
당신은 방금 전자 상자성 공명 분광법에 대한 JoVE의 소개를 시청했습니다. 이제 EPR, 자산화, 자가산화 반응 및 EPR 분광법의 다양한 응용 분야의 원리에 대해 잘 알게 되었을 것입니다. 언제나 그렇듯이 시청해 주셔서 감사합니다!
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Q1: What are unpaired electrons and why do they matter in EPR spectroscopy?
Unpaired electrons are electrons with a spin quantum number of 1/2, existing in magnetic states of +1/2 or -1/2. EPR spectroscopy specifically targets molecules containing unpaired electrons by measuring electron spin transitions. These electrons are paramagnetic and respond to applied magnetic fields, making them detectable through EPR analysis.
Q2: How does the Zeeman effect influence EPR spectroscopy?
The Zeeman effect describes how an applied magnetic field causes electron spin states to become non-degenerate, creating an energy difference between them. In the absence of a magnetic field, the two spin states have equivalent energy. The magnitude of this energy difference depends on magnetic field strength, allowing EPR to measure electron transitions by sweeping frequency while holding the field constant.
Q3: What is the g-factor and what does it reveal about a paramagnetic molecule?
The g-factor is a dimensionless parameter that accounts for how the electric field gradient of a molecule influences the effective magnetic field experienced by an unpaired electron. During EPR experiments, the g-factor is calculated by sweeping frequency at constant magnetic field, providing information about the electronic structure of the paramagnetic center and its chemical environment.
Q4: How does autoxidation occur and why is it problematic?
Autoxidation is a radical chain process initiated by oxygen, a ground state triplet that reacts slowly with most organic molecules under normal conditions. Once initiated, autoxidation leads to rapid consumption of organic molecules and decomposition of materials like plastics. This undesired reaction highlights the importance of identifying effective antioxidants to inhibit radical chain processes.
Q5: How does BHT function as an antioxidant in aldehyde autoxidation?
Dibutylhydroxy toluene (BHT) inhibits autoxidation through hydrogen transfer from its weak O-H bond. When radicals are generated during autoxidation, BHT donates hydrogen to quench the radical chain mechanism, generating a stable oxygen-centered radical. EPR spectroscopy reveals this mechanism by detecting the characteristic four-lined pattern of the BHT-derived radical.
Q6: Why is EPR superior to NMR for studying organic radicals?
Molecules with unpaired electrons are challenging to characterize using NMR alone because NMR detects nuclear spins, not electron spins. EPR spectroscopy directly measures electron spin transitions and provides detailed information about paramagnetic species. Additionally, hyperfine and super-hyperfine coupling in EPR spectra reveal electronic structure details that NMR cannot access.
Q7: What applications does EPR spectroscopy have beyond studying antioxidants?
EPR is widely used in organic and inorganic chemistry to study biological systems, such as cyanobacteria metabolism. In these applications, trityl radicals suspended in solution serve as probes, and radical concentration is measured over time under different light conditions. This demonstrates that EPR can monitor metabolic activity and light-dependent processes in living organisms.