6.21: Spektroskopia elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR)

1. Autooksydacja aldehydu masłowego

1. Przygotować roztwór aldehydu masłowego (100 mg) i CoCl₂·6H₂O (1 mg) w 1,2-dichloroetanie (DCE) (4 ml) w 20 ml fiolki scyntylacyjnej. Dodać mieszadło magnetyczne i dopasować fiolkę do gumowej przegrody.
2. Przymocuj cylinder plastikowej strzykawki o pojemności 1 ml do krótkiego kawałka gumowej rurki. Włóż gumową rurkę do balonu lateksowego i przymocuj balon do rurki za pomocą gumowej opaski i taśmy elektrycznej. Napompuj balon lateksowy za pomocą O₂.
3. Włożyć igłę balonu O₂ do fiolki reakcyjnej. Wprowadzić drugą igłę do przegrody i oczyścić przestrzeń czołową naczynia reakcyjnego za pomocą O₂.
4. Za pomocą płytki mieszającej mieszaj reakcję w temperaturze pokojowej przez 4 godziny w atmosferze O₂.
5. Zagęścić mieszaninę reakcyjną za pomocą wyparki obrotowej i pobrać widmo ¹H powstałej oleistej pozostałości w CDCl₃.

2. Stosowanie BHT jako przeciwutleniacza do autooksydacji aldehydu masłowego

Ustawić dwie fiolki zgodnie z poniższym opisem. Jeden z nich zostanie wykorzystany do analizy dystrybucji produktu, a drugi zostanie wykorzystany w kroku 3 do spektroskopii EPR.

1. Przygotować roztwór aldehydu masłowego (100 mg) i CoCl₂·6H₂O (1 mg) w DCE (4 ml) w 20 ml fiolce scyntylacyjnej. Dodać BHT (10 mg) do roztworu. Dodać mieszadło magnetyczne i dopasować fiolkę do gumowej przegrody.
2. Przymocuj cylinder plastikowej strzykawki o pojemności 1 ml do krótkiego kawałka gumowej rurki. Włóż gumową rurkę do balonu lateksowego i przymocuj balon do rurki za pomocą gumowej opaski i taśmy elektrycznej. Napompuj balon lateksowy za pomocą O₂.
3. Włożyć igłę balonu O₂ do fiolki reakcyjnej. Wprowadzić drugą igłę do przegrody i oczyścić przestrzeń nad głową naczynia reakcyjnego za pomocą O₂.
4. Za pomocą płytki mieszającej mieszaj reakcję w temperaturze pokojowej przez 4 godziny w atmosferze O₂.
5. Zagęścić mieszaninę reakcyjną za pomocą wyparki obrotowej i pobrać widmo ¹H powstałej oleistej pozostałości w CDCl₃.

3. Pomiar widm EPR

1. Włącz spektrometr EPR i pozwól instrumentowi rozgrzać się przez 30 minut. Skonfiguruj akwizycję EPR z następującymi parametrami: pole środkowe 3,345 G, szerokość przemiatania 100 G, czas przemiatania 55 s, stała czasowa 10 ms, moc MW 5 mW, modulacja 100 kHz i amplituda modulacji 1 G.
2. Zmierz widmo EPR pustej probówki EPR, aby upewnić się, że nie ma sygnałów tła ani z lampy EPR, ani z rezonatora instrumentu.
3. Przygotuj roztwór BHT w DCE w komorze rękawicowej wypełnionej N₂. Przenieść 0,5 ml roztworu do probówki EPR i zmierzyć widmo EPR BHT, korzystając z parametrów akwizycji określonych w kroku 3.1.
4. Przenieść 0,5 ml roztworu reakcyjnego z dodatkiem BHT z etapu 2 do probówki EPR i uzyskać widmo EPR przy użyciu parametrów akwizycji określonych w kroku 3.1.

Spektroskopia elektronowego rezonansu paramagnetycznego (EPR) jest ważną techniką charakteryzowania związków paramagnetycznych, takich jak związki z niesparowanymi elektronami.

EPR ma wiele ważnych zastosowań w badaniu rodników organicznych, paramagnetycznych kompleksów nieorganicznych i chemii bionieorganicznej.

Ten film zilustruje podstawowe zasady stojące za elektronowym rezonansem paramagnetycznym, zastosowaniem EPR do badania dibutylohydroksytoluenu i jego zachowania przeciwutleniającego w autooksydacji aldehydów alifatycznych oraz omówi kilka zastosowań.

EPR to technika spektroskopowa, która służy do badania cząsteczek z niesparowanymi elektronami poprzez pomiar przejść spinowych elektronów.

Elektron ma spinową liczbę kwantową równą 1/2, która ma składniki magnetyczne +1/2 lub -1/2.

W przypadku braku pola magnetycznego energia dwóch stanów spinowych jest równoważna. Jednak w obecności przyłożonego pola magnetycznego moment magnetyczny elektronu wyrównuje się z przyłożonym polem magnetycznym, a stany spinowe stają się niezdegenerowane.

Różnica energii między stanem spinu zależy od natężenia pola magnetycznego. Nazywa się to efektem Zeemana.

W danym polu magnetycznym różnica energii między dwoma stanami spinowymi jest określona przez ?E.

Elektron porusza się między dwoma stanami spinowymi po emisji lub absorpcji fotonu o energii ?E. Jednak równanie to odnosi się do pojedynczego, swobodnego elektronu i nie uwzględnia faktu, że elektrony w cząsteczkach nie zachowują się w taki sam sposób, jak izolowany elektron.

Gradient pola elektrycznego cząsteczki wpłynie na efektywne pole magnetyczne, które, jeśli zostanie podłączone do tego równania, definiuje współczynnik g dla niesparowanego elektronu w danej cząsteczce w tym uproszczonym ogólnym równaniu.

Podczas eksperymentu EPR częstotliwość jest zamiatana, podczas gdy pole jest utrzymywane na stałym poziomie, co pozwala na obliczenie współczynnika g dostarczającego informacji o strukturze elektronowej cząsteczki paramagnetycznej.

W tym eksperymencie spektroskopia EPR jest używana do badania przeciwutleniaczy. Tlen, który jest silnym utleniaczem, jest trypletem stanu podstawowego i dlatego reaguje dość wolno z większością cząsteczek organicznych. Jedną z ważnych, choć często niepożądanych, reakcji zachodzących pod wpływem tlenu jest autooksydacja, w której O2 inicjuje rodnikowe procesy łańcuchowe.

Może to prowadzić do szybkiego zużycia cząsteczek organicznych i rozkładu wielu materiałów organicznych, takich jak tworzywa sztuczne. Dlatego identyfikacja skutecznych przeciwutleniaczy hamujących autooksydację stała się ważną dziedziną badań.

Jednym z mechanizmów, dzięki którym przeciwutleniacze mogą funkcjonować, jest reakcja z rodnikowymi produktami pośrednimi w celu zahamowania radykalnych procesów łańcuchowych. Ponieważ rodniki mają niesparowane spiny, EPR jest cennym narzędziem do zrozumienia chemii przeciwutleniaczy.

Przyjrzyjmy się teraz, w jaki sposób spektroskopia EPR jest wykorzystywana do zbadania roli dibutylohydroksytopoluenu jako przeciwutleniacza w autooksydacji aldehydów alifatycznych.

Zacznijmy od autooksydacji aldehydu masłowego przy braku przeciwutleniacza. Używając 20 ml fiolki scyntylacyjnej, rozpuść 125 ml aldehydu masłowego i 1 mg CoCl2?6H2O?w 4 ml 1,2-dichloroetanu. Dodać mieszadło magnetyczne i zamknąć fiolkę gumową przegrodą.

Przymocuj cylinder plastikowej strzykawki o pojemności 1 ml do krótkiego kawałka gumowej rurki. Włóż gumową rurkę do lateksowego balonu i zabezpiecz gumką i taśmą izolacyjną. Następnie napompuj balon gazowym tlenem.

Wprowadzić igłę balonu wypełnionego tlenem do fiolki. Włóż drugą igłę przez przegrodę i przepłucz roztwór tlenem gazowym przez pięć minut. Po oczyszczeniu wyjąć drugą igłę i umieścić fiolkę na płytce do mieszania, mieszając reakcję przez 4 godziny w temperaturze pokojowej.

Po zakończeniu reakcji zagęścić mieszaninę za pomocą wyparki obrotowej. Następnie wysuszyć pozostałość na linii wysokopróżniowej przez 1 godzinę i uzyskać 1H-NMR w deuterowanym chloroformie.

Porównajmy teraz reakcję, jeśli jest przeprowadzana w obecności przeciwutleniacza dibutylohydroksytoluenu lub BHT. Przygotować dwie identyczne próbki, rozpuszczając CoCl2?6H2O i aldehyd masłowy w 1,2-dichloroetanie za pomocą 20-ml fiolki scyntylacyjnej. Dodaj przeciwutleniacz do każdego roztworu, a następnie mieszadło i dopasuj każdą fiolkę do gumowej przegrody.

Podobnie jak w poprzedniej reakcji, użyj balonu, aby przepłukać roztwór w fiolkach tlenem, a następnie mieszaj reakcje w atmosferze tlenu przez 4 godziny w temperaturze pokojowej. Po 4 godzinach zagęścić jedną z mieszanin za pomocą parownika obrotowego dla 1H-NMR. Wysuszyć próbkę w wysokiej próżni i użyć tej próbki do uzyskania 1H-NMR. Druga reakcja zostanie wykorzystana w przypadku EPR.

Włącz spektrometr EPR i pozwól instrumentowi rozgrzać się przez 30 minut. W komputerze dostrój pustą wnękę instrumentu EPR, aby upewnić się, że w instrumencie nie ma zanieczyszczeń.

Skonfiguruj akwizycję EPR z parametrami podanymi w tekście. Zmierz widmo EPR pustej probówki EPR, aby upewnić się, że nie ma sygnałów tła ani z lampy EPR, ani z rezonatora instrumentu.

Następnie użyj BHT i przygotuj roztwór 1,2-dichloroetanu w komorze rękawicowej wypełnionej N2. Przenieść 0,5 ml roztworu do probówki EPR o średnicy 2 mm, przykrywając ją plastikową nakrętką z probówki EPR. Zmierz widmo EPR BHT za pomocą wcześniej ustawionych parametrów akwizycji.

Teraz użyj reakcji zawierającej BHT i przygotuj roztwór EPR zgodnie z tą samą procedurą, co dla próbki BHT. Pozyskaj widmo EPR, korzystając z wcześniej ustawionych parametrów nabycia.

Porównajmy teraz reakcje z przeciwutleniaczem BHT i bez niego, korzystając z danych NMR i EPR.

Autoksydacja aldehydu masłowego daje kwas masłowy. Widmo 1H-NMR uzyskane z reakcji wskazuje na brak aldehydowego rezonansu C-H oraz obecność rezonansów oczekiwanych od kwasu masłowego.

Natomiast NMR uzyskany z mieszaniny reakcyjnej z dodatkiem BHT wykazuje sygnały zgodne z aldehydem masłowym, bez obecności kwasu masłowego. Z tych danych wynika, że BHT służył jako przeciwutleniacz w autooksydacji aldehydów.

Rola BHT w hamowaniu autooksydacji aldehydów jest naświetlona przez widma EPR uzyskane z BHT i BHT dodanych do reakcji autooksydacji aldehydów.

BHT jest diamagnetyczną cząsteczką organiczną, co oznacza, że nie ma niesparowanych elektronów. W związku z tym widmo EPR BHT nie wyświetla żadnych sygnałów. W przeciwieństwie do tego, widmo EPR reakcji autooksydacji, w której dodano BHT, wykazuje silny czteroliniowy wzór, zgodny z rodnikiem organicznym.

Widmo to powstaje, ponieważ wiązanie O-H BHT jest słabe. W obecności rodników powstających podczas autooksydacji, transfer wodoru z BHT wygasza mechanizm łańcucha rodnikowego i generuje stabilny rodnik skoncentrowany na tlenie.

Spektroskopia elektronowego rezonansu paramagnetycznego jest metodą analityczną, która jest często stosowana w chemii organicznej i nieorganicznej w celu uzyskania dodatkowych informacji, oprócz popularnych metod, takich jak spektroskopia NMR lub IR.

Na przykład EPR może być używany do badania systemów biologicznych, takich jak metabolizm sinic. Sinice są zawieszone w roztworze zawierającym rodnik trytylowy i umieszczane w sondzie obrazującej. Próbkę naświetla się światłem, a stężenie rodników mierzy się w odniesieniu do czasu.

Badanie to wykazało, że stężenie trytilu zmniejszyło się w świetle, ale pozostało stałe w ciemności, co pokazuje, że aktywność metaboliczna jest zależna od światła.

Cząsteczki z niesparowanymi elektronami mogą być trudne do scharakteryzowania tylko za pomocą NMR, dlatego spektroskopia EPR jest często używana do bardziej szczegółowej analizy rodników organicznych. Eksperymentalne widma EPR wyznaczają współczynnik g niesparowanego elektronu, dostarczając informacji o strukturze elektronowej centrum paramagnetycznego.

Ponadto spiny jądrowe jąder z niesparowanym elektronem, a także sąsiednich jąder, wpływają na moment magnetyczny elektronu, powodując dodatkowe rozszczepienie stanów spinowych i wiele linii w widmie EPR. Powstałe w ten sposób sprzężenie nadsubtelne i supernadsubtelne dostarcza dalszych informacji na temat struktury elektronowej cząsteczki

Właśnie obejrzałeś wprowadzenie JoVE do spektroskopii elektronowego rezonansu paramagnetycznego. Powinieneś być teraz zaznajomiony z zasadami EPR, autooksydacji, reakcji autooksydacji i różnymi zastosowaniami spektroskopii EPR. Jak zawsze, dziękujemy za oglądanie!