Metoda Evansa
Źródło: Tamara M. Powers, Wydział Chemii, Texas A&M University
Podczas gdy większość cząsteczek organicznych jest diamagnetyczna, w której wszystkie i…
1. Przygotowanie wkładu kapilary
- Używając zapalniczki lub innego płomienia gazowego, rozpuść końcówkę długiej pipety Pasteura. Delikatnie obracaj końcówką pipety w płomieniu, aż utworzy się mała bańka. Pozwól szklance ostygnąć.
- W fiolce scyntylacyjnej przygotować roztwór deuterowanego:proteo chloroformu w proporcji 50:1. Odmierzyć pipetą 2 ml deuterowanego rozpuszczalnika, a do tego dodać 40 μl proteo rozpuszczalnika. Zakręć fiolkę.
- Ostrożnie dodaj kilka kropli mieszaniny rozpuszczalników do szczelnie zamkniętej szklanej pipety. Delikatnie potrząśnij końcówką zamkniętej pipety, aby płyn dostał się do kapilary. Powtarzaj, aż roztwór osiągnie głębokość ~ 2 cali od dna kapilary. Upewnij się, że nie ma pęcherzyków powietrza.
- Zakryj pipetę gumową przegrodą 14/20. Za pomocą strzykawki o pojemności 3 ml z igłą włóż igłę do pipety i wyciągnij 3 ml powietrza. W ten sposób powstaje częściowa próżnia, ułatwiająca wykonanie kolejnego kroku.
- Uszczelnij górną część kapilary. Poziomo clamp pipetę do stojaka pierścieniowego. Użyj zapalniczki, aby zmiękczyć szklankę nad roztworem na dnie pipety. Gdy szkło zmięknie, zacznij obracać końcówkę pipety i odciągnij końcówkę pipety od zaciśniętej podstawy. Pozwól uszczelnionej kapilarze ostygnąć.
2. Przygotowanie roztworu paramagnetycznego
- Za pomocą wagi analitycznej zmasuj fiolkę scyntylacyjną i pokrywkę. Zwróć uwagę na masę.
- Zmasować 5-10 mg Fe(acac)3 w fiolce scyntylacyjnej i zanotować masę. Fe(acac)3 ma bardzo wysoki moment magnetyczny roztworu. Dlatego 5-10 mg spowoduje dużą zmianę przesunięcia chemicznego. Zazwyczaj 10 - 15 mg jest bardziej odpowiednią masą do użycia w próbkach metodą Evansa.
- Odpipetować ~600 μL przygotowanej mieszaniny rozpuszczalników do fiolki zawierającej związki paramagnetyczne. Zamknąć fiolkę i zanotować masę. Upewnij się, że ciało stałe całkowicie się rozpuściło.
3. Przygotowanie próbki NMR
- W standardowej probówce NMR ostrożnie upuść wkładkę kapilarną pod kątem, aby upewnić się, że jej nie złamie.
- Odpipetować w roztworze zawierającym związki paramagnetyczne.
- Zakryj probówkę NMR. W przypadku próbek wrażliwych na powietrze owiń Parafilm wokół nasadki.
4. Gromadzenie danych
- Zdobądź i zapisz standardowe widmo 1H NMR.
- Zwróć uwagę na temperaturę sondy.
- Zwróć uwagę na częstotliwość radiową.
5. Analiza danych i wyniki
- Korzystając z masy i gęstości rozpuszczalnika, oblicz objętość rozpuszczalnika użytego do przygotowania roztworu paramagnetycznego.
- Obliczyć stężenie (M) roztworu paramagnetycznego.
- Oblicz separację pików rezonansu rozpuszczalnika między rezonansem czystego rozpuszczalnika (w kapilarze) a rezonansem przesuniętym przez paramagnetyk (na zewnątrz kapilary) (Δppm). Jeśli jest to zrobione w ppm, przelicz to na Hz za pomocą Równanie 5:
(5)
F = częstotliwość radiowa spektrometru w Hz - Oblicz podatność magnetyczną za pomocą Równanie 4.
- Oblicz moment magnetyczny za pomocą równania 1.
- Porównaj uzyskany moment magnetyczny z momentem przewidzianym dla n niesparowanych elektronów z równania Równanie 3. Podatność magnetyczna będzie nieco większa niż przewidywana wartość tylko spinu podana w tabeli, ale powinna być mniejsza niż ta, która odpowiada n+1 niesparowanym elektronom.
- Podaj liczbę niesparowanych elektronów dla gatunków paramagnetycznych.
6. Rozwiązywanie problemów
- Jeśli nie zaobserwuje się dwóch dobrze rozdzielonych pików rozpuszczalnika, spróbuj wykonać następujące czynności:
- Użyj spektrometru o większym natężeniu pola, aby zwiększyć różnicę przesunięć chemicznych (w ppm) dwóch pików.
- Spraw, aby próbka była bardziej skoncentrowana, tak aby przesunięcie było większe.
- Czasami wartość nie ma sensu. Jeśli uzyskana zostanie zbyt niska wartość, spróbuj wykonać następujące czynności:
- Powtórzyć, zwracając większą ostrożność przy masowaniu rozpuszczalnika i form paramagnetycznych.
- Upewnij się, że używany gatunek paramagnetyczny jest czysty. Nawet zanieczyszczenia rozpuszczalnikiem w kryształach wpłyną na masę, a tym samym na stężenie.
- W przypadku dużych cząsteczek diamagnetyzm może być tak znaczący, że konieczne jest wykonanie poprawki diamagnetycznej. Ten wyraz jest odejmowany do Równanie 4:
- Czasami wartość nie ma sensu. Jeśli uzyskana zostanie zbyt wysoka wartość, spróbuj wykonać następujące czynności:
- Wykonaj te same czynności, co w wersjach 6.2.1-6.2.3.
- W przypadku cięższych metali konieczne może być uwzględnienie wkładów orbitalnych.
7. Próbki wrażliwe na powietrze
- Za pomocą tej techniki można łatwo analizować próbki wrażliwe na powietrze. Kroki 1.2-1.4, 2 i 3 są po prostu wykonywane w schowku na rękawiczki.
Zaloguj się lub , aby uzyskać dostęp do pełnej treści. Dowiedz się więcej o dostępie Twojej instytucji do treści JoVE tutaj
Metoda Evansa to technika obliczania liczby niesparowanych elektronów w kompleksach metali w stanie roztworu.
Wiele kompleksów metali przejściowych ma niesparowane elektrony, co sprawia, że są przyciągane przez pola magnetyczne. Kompleksy te nazywane są paramagnetycznymi. Kompleksy ze wszystkimi sparowanymi elektronami nazywane są diamagnetykami.
Znajomość liczby niesparowanych elektronów jest ważna dla przewidywania reaktywności związku. Metoda Evansa wykorzystuje spektroskopię NMR do pomiaru parametrów potrzebnych do obliczenia liczby niesparowanych elektronów.
Ten film zilustruje procedurę wykonywania metody Evansa, zademonstruje analizę Fe(acac)3 oraz przedstawi kilka zastosowań liczenia niesparowanych elektronów w chemii.
Liczbę niesparowanych elektronów w kompleksie można określić na podstawie momentu magnetycznego danej cząsteczki. Momenty magnetyczne kompleksów metali przejściowych w pierwszym rzędzie można przybliżyć na podstawie wkładów niesparowanych elektronów, zwanych momentem magnetycznym tylko spinowym. W przypadku kompleksów metali przejściowych w 2. i 3. rzędzie należy wziąć pod uwagę zarówno wkład spinowy, jak i orbitalny.
Moment magnetyczny jest związany z podatnością magnetyczną, która określa stopień namagnesowania kompleksu w przyłożonym polu magnetycznym.
Na chemiczne przesunięcie gatunku w widmie NMR ma wpływ ogólna podatność magnetyczna roztworu próbki. Tak więc przesunięcie chemiczne rozpuszczalnika zmienia się, jeśli substancja rozpuszczona jest paramagnetyczna. Metoda Evansa wykorzystuje tę zależność do uzyskania podatności magnetycznej, a tym samym momentu magnetycznego tej paramagnetycznej substancji rozpuszczonej.
Próbka metody Evansa wykorzystuje wkładkę kapilarną zawierającą mieszaninę deuterowanego rozpuszczalnika i pasującego rozpuszczalnika proteowanego. Interesujący związek rozpuszcza się w tej samej mieszaninie rozpuszczalników i umieszcza w probówce NMR z kapilarą.
Uzyskane widmo NMR pokazuje dwa piki rozpuszczalnika: jeden odpowiadający protetowanemu rozpuszczalnikowi w roztworze ze związkiem, a drugi odpowiadający protetowanemu rozpuszczalnikowi w kapilarze.
Podatność magnetyczną oblicza się na podstawie różnicy częstotliwości i stężenia związku paramagnetycznego w próbce.
Moment magnetyczny jest obliczany na podstawie podatności magnetycznej w specjalnej jednostce zwanej magnetonem Bohra. Moment magnetyczny można następnie porównać z teoretycznymi wartościami samego spinu, aby oszacować liczbę niesparowanych elektronów w próbce.
Teraz, gdy rozumiesz zasady metody Evansa, przejdźmy przez procedurę znajdowania liczby niesparowanych elektronów w Fe(acac)3 za pomocą metody Evansa.
Aby przygotować wkładkę kapilarną, rozpuść końcówkę długiej pipety Pasteura z płomieniem, aż końcówka stopi się w szklaną bańkę. Pozwól szklance ostygnąć.
Następnie połączyć w czystej fiolce scyntylacyjnej 2 ml deuterowanego rozpuszczalnika i 40 ? L protekcjonowanego rozpuszczalnika. Zakręć fiolkę i delikatnie zamieszaj.
Ostrożnie dodać kilka kropli mieszaniny rozpuszczalników do schłodzonej pipety. Delikatnie potrząśnij lub postukaj w końcówkę pipety, aż rozpuszczalnik zbierze się na dnie końcówki.
Kontynuuj dodawanie mieszaniny rozpuszczalnika w ten sposób, aż roztwór wypełni szczelnie zamkniętą końcówkę pipety na głębokość około 2 cali, bez pęcherzyków powietrza.
Zakryj pipetę gumową przegrodą 14/20. Wyposażyć strzykawkę o pojemności 3 ml w igłę. Wprowadzić igłę przez przegrodę i ostrożnie pobrać 3 ml powietrza.
Wyjąć strzykawkę i zacisnąć pipetę poziomo na stojaku pierścieniowym. Użyj zapalniczki, aby zmiękczyć szklankę nad roztworem w końcówce pipety.
Gdy szkło zacznie mięknąć, powoli obracaj końcówkę pipety wypełnioną roztworem, aby uszczelnić roztwór. Kontynuuj obracanie nowo utworzonej kapilary, aż łatwo oddzieli się od korpusu pipety.
Poczekaj, aż wkład kapilarny ostygnie, a następnie przechowuj go w oznakowanym pojemniku.
Aby przygotować próbkę do metody Evansa, należy najpierw zanotować masę fiolki scyntylacyjnej i nakrętki. Następnie umieścić 5 mg interesującego nas związku paramagnetycznego w fiolce scyntylacyjnej i zapisać masę.
Pipeta około 600 ? L mieszaniny rozpuszczalników deuterowanych i protetowanych do fiolki scyntylacyjnej. Obracać fiolkę aż do całkowitego rozpuszczenia stałego związku.
Zanotować masę zakrytej fiolki z roztworem próbki. Następnie zaopatrz się w standardową probówkę NMR i nasadkę.
Ostrożnie wsuń wkładkę kapilarną do rurki NMR pod kątem. Przenieś roztwór związku paramagnetycznego do probówki NMR i zakryj probówkę. Upewnij się, że wkładka znajduje się na dnie rurki.
Pozyskaj i zapisz standardowe widmo 1H NMR.
Najpierw oblicz stężenie roztworu próbki w molach na centymetr sześcienny, korzystając z zarejestrowanych mas i gęstości rozpuszczalnika. Następnie przelicz różnicę między przesunięciami chemicznymi piku rozpuszczalnika z ppm na Hz. Oblicz molową podatność magnetyczną próbki.
Następnie oblicz moment magnetyczny od temperatury sondy i molową podatność magnetyczną. Porównaj obliczoną wartość z tabelą znanych wartości, aby określić liczbę niesparowanych elektronów w związku.
Liczba niesparowanych elektronów jest ważna dla modelowania kompleksów chemicznych i biologicznych. Przyjrzyjmy się kilku zastosowaniom.
Kompleksy metali przejściowych można modelować za pomocą teorii orbitali molekularnych. W tym modelu elektrony są przypisywane do orbitali molekularnych współdzielonych przez atomy. Informacja o liczbie niesparowanych elektronów pomaga potwierdzić, że używany jest odpowiedni model. Co więcej, liczba pojedynczo zajętych i niezajętych orbitali przewiduje, jak kompleks będzie reagował z innymi cząsteczkami.
Cząsteczki można klasyfikować na podstawie operacji symetrii, które mogą wykonywać, takich jak odbicie lustrzane w poprzek osi. Symetria molekularna może przewidywać wiele właściwości, takich jak tryby drgań związku. Ponieważ liczba niesparowanych elektronów może dostarczyć informacji o geometrii molekularnej, ważne jest, aby dokładnie określić liczbę niesparowanych elektronów podczas charakteryzowania związków.
Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do metody Evansa. Powinieneś teraz zrozumieć podstawowe zasady metody Evansa, procedurę obliczania liczby niesparowanych elektronów oraz to, w jaki sposób niesparowane elektrony są istotne dla zrozumienia reaktywności chemicznej. Dzięki za oglądanie!
View the full transcript and gain access to JoVE Science Education videos
Q1: What is the difference between paramagnetic and diamagnetic complexes?
Paramagnetic complexes contain unpaired electrons and are attracted to magnetic fields, while diamagnetic complexes have all electrons paired and are slightly repelled by magnetic fields. Transition metal complexes are often paramagnetic due to partially populated d-orbitals, whereas most organic molecules are diamagnetic. The presence of unpaired electrons significantly affects a complex's reactivity and magnetic properties.
Q2: How does the Evans method measure unpaired electrons in metal complexes?
The Evans method uses NMR spectroscopy to measure the magnetic susceptibility of a paramagnetic compound by comparing solvent peak chemical shifts. The magnetic susceptibility relates to the magnetic moment, which is calculated in units called Bohr magnetons. By comparing the calculated magnetic moment to theoretical spin-only values, the number of unpaired electrons in the complex can be determined.
Q3: Why is the spin-only approximation used for first-row transition metals?
For first-row transition metal complexes, the orbital contribution to the magnetic moment is small and can be neglected, making the spin-only magnetic moment calculation accurate. However, for second and third row transition metals, both spin and orbital contributions must be considered because orbital effects are significant and can inflate the measured magnetic moment, potentially overestimating the number of unpaired electrons.
Q4: What components are needed to prepare an Evans method capillary insert?
An Evans method capillary insert requires a Pasteur pipette with a melted glass bulb tip, a mixture of deuterated and protonated solvents, and a rubber septum. The sealed capillary contains the solvent mixture at a depth of about two inches with no air bubbles. This insert is placed inside an NMR tube alongside the sample solution to provide a reference peak for chemical shift comparison.
Q5: How does molecular orbital theory relate to counting unpaired electrons?
Molecular orbital theory assigns electrons to orbitals shared between atoms in a complex. Information about the number of unpaired electrons confirms that an appropriate molecular orbital model is being used and helps predict reactivity. The number of singly-occupied and unoccupied orbitals indicates how the complex will react with other molecules, making unpaired electron determination essential for understanding chemical behavior.
Q6: What role does molecular symmetry play in characterizing transition metal complexes?
Molecular symmetry determines properties such as vibrational modes and geometric structure of a compound. Since the number of unpaired electrons provides information about molecular geometry, accurately determining unpaired electrons is critical when characterizing compounds using symmetry operations. This relationship helps predict how complexes behave spectroscopically and chemically.
Q7: How does ligand field strength affect the magnetic properties of metal complexes?
Ligand field strength perturbs the energies of d-orbitals in transition metals, determining whether electrons pair up or remain unpaired according to Hund's rule. Strong ligand fields may cause all electrons to pair, creating diamagnetic complexes, while weak fields allow unpaired electrons, producing paramagnetic complexes. The number of unpaired electrons directly reflects the ligand field strength and coordination geometry.