6.21: Espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica (EPR)

1. Autoxidação de Butyraldeído

1. Prepare uma solução de butiradeído (100 mgs) e CoCl₂·6H₂O (1 mg) em 1,2-dicloroetano (DCE) (4 mL) em um frasco de cintilação de 20 mL. Adicione uma barra de meximento magnética e encaixe o frasco com um septo de borracha.
2. Conecte o barril de uma seringa de plástico de 1 mL a um pequeno pedaço de tubo de borracha. Insira a tubulação de borracha em um balão de látex e fixe o balão no tubo com um elástico e fita elétrica. Infle um balão de látex com O₂.
3. Insira a agulha do balão O₂ no frasco de reação. Insira uma segunda agulha no septo e purgue o espaço da cabeça do vaso de reação com O₂.
4. Usando uma placa de mexida, mexa a reação à temperatura ambiente por 4h sob uma atmosfera O_2.
5. Concentre a mistura de reação usando um evaporador rotativo e tome um espectro de ¹H NMR do resíduo oleoso resultante no CDCl₃.

2. Usando BHT como antioxidante para a autoxidação de Butyraldeído

Configure dois frascos como descrito abaixo. Um será usado para analisar a distribuição do produto e outro será usado na etapa 3 para espectroscopia EPR.

1. Prepare uma solução de butildeído (100 mgs) e CoCl₂·6H₂O (1 mg) em DCE (4 mL) em um frasco de cintilação de 20 mL. Adicione BHT (10 mg) à solução. Adicione uma barra de meximento magnética e encaixe o frasco com um septo de borracha.
2. Conecte o barril de uma seringa de plástico de 1 mL a um pequeno pedaço de tubo de borracha. Insira a tubulação de borracha em um balão de látex e fixe o balão no tubo com um elástico e fita elétrica. Infle um balão de látex com O₂.
3. Insira a agulha do balão O₂ no frasco de reação. Insira uma segunda agulha no septo e purgue o espaço da cabeça do vaso de reação com O₂.
4. Usando uma placa de mexida, mexa a reação à temperatura ambiente por 4h sob uma atmosfera O_2.
5. Concentre a mistura de reação usando um evaporador rotativo e tome um espectro de ¹H NMR do resíduo oleoso resultante no CDCl₃.

3. Medindo os espectros de EPR

1. Ligue o espectrômetro EPR e deixe o instrumento aquecer por 30 minutos. Configure uma aquisição de EPR com os seguintes parâmetros: campo central 3.345 G, largura de varredura 100 G, tempo de varredura 55 s, tempo constante de 10 ms, potência MW 5 mW, modulação de 100 kHz e amplitude de modulação 1 G.
2. Meça um espectro EPR de um tubo EPR vazio para garantir que não haja sinais de fundo do tubo EPR ou do ressonador de instrumentos.
3. Prepare uma solução de BHT em DCE em um porta-luvas n_2. Transfira 0,5 mL da solução para um tubo de EPR e meça o espectro EPR da BHT utilizando os parâmetros de aquisição estabelecidos na etapa 3.1.
4. Transfira 0,5 mL da solução de reação adicionada bht da Etapa 2 para um tubo EPR e adquira e espectro EPR utilizando os parâmetros de aquisição estabelecidos na Etapa 3.1.

A espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica, ou EPR, é uma técnica importante para a caracterização de compostos paramagnéticos, como compostos com elétrons desemparelhados.

O EPR tem muitas aplicações importantes no estudo de radicais orgânicos, complexos inorgânicos paramagnéticos e química bioinorgânica.

Este vídeo ilustrará os princípios básicos por trás da Ressonância Paramagnética Eletrônica, o uso de EPR para estudar dibutilhidroxi tolueno e seu comportamento antioxidante na auto-oxidação de aldeídos alifáticos e discutirá algumas aplicações.

EPR é uma técnica espectroscópica usada para estudar moléculas com elétrons desemparelhados, medindo transições de spin de elétrons.

Um elétron tem um número quântico de spin de 1/2, que tem componentes magnéticos de +1/2 ou -1/2.

Na ausência de um campo magnético, a energia dos dois estados de spin é equivalente. No entanto, na presença de um campo magnético aplicado, o momento magnético do elétron se alinha com o campo magnético aplicado e os estados de spin tornam-se não degenerados.

A diferença de energia entre o estado de spin depende da força do campo magnético. Isso é chamado de efeito Zeeman.

Em um dado campo magnético, a diferença de energia entre os dois estados de spin é dada por ?E.

Um elétron se move entre os dois estados de spin após a emissão ou absorção de um fóton com energia ?E. No entanto, essa equação se aplica a um único elétron livre e não leva em conta o fato de que os elétrons dentro das moléculas não se comportam da mesma maneira que um elétron isolado.

O gradiente do campo elétrico da molécula influenciará o campo magnético efetivo, que, se conectado a esta equação, define o fator g para um elétron desemparelhado em uma determinada molécula nesta equação geral simplificada.

Durante um experimento EPR, a frequência é varrida, enquanto o campo é mantido constante, permitindo o cálculo do fator g que fornece informações sobre a estrutura eletrônica de uma molécula paramagnética.

Neste experimento, a espectroscopia EPR é usada para estudar antioxidantes. O oxigênio, que é um oxidante forte, é um trigêmeo do estado fundamental e, portanto, reage muito lentamente com a maioria das moléculas orgânicas. Uma reação importante, embora muitas vezes indesejada, mediada pelo oxigênio é a auto-oxidação, onde o O2 inicia processos em cadeia radical.

Isso pode levar ao consumo rápido de moléculas orgânicas e à decomposição de muitos materiais orgânicos, como plásticos. Portanto, identificar antioxidantes eficazes para inibir a auto-oxidação tornou-se um importante campo de pesquisa.

Um mecanismo pelo qual os antioxidantes podem funcionar é reagindo com os intermediários radicais para inibir os processos da cadeia radical. Como as espécies radicais têm spins desemparelhados, o EPR é uma ferramenta valiosa para entender a química dos antioxidantes.

Agora vamos ver como a espectroscopia EPR é usada para explorar o papel do dibutilhidroxi tolueno, como antioxidante na auto-oxidação de aldeídos alifáticos.

Vamos começar com a auto-oxidação do butiraldeído na ausência de um antioxidante. Usando um frasco de cintilação de 20 mL, dissolva 125 mL de butiraldeído e 1 mg de CoCl2?6H2O?em 4 mL de 1,2-dicloroetano. Adicione uma barra de agitação magnética e sele o frasco com um septo de borracha.

Prenda o cilindro de uma seringa de plástico de 1 mL a um pequeno pedaço de tubo de borracha. Insira o tubo de borracha em um balão de látex e prenda com um elástico e fita isolante. Em seguida, encha o balão com gás oxigênio.

Insira a agulha do balão cheio de oxigênio no frasco para injetáveis. Insira uma segunda agulha no septo e purgue a solução com gás oxigênio por cinco minutos. Uma vez purgada, retire a segunda agulha e coloque o frasco para injetáveis em uma placa de agitação, mexendo a reação por 4 horas em temperatura ambiente.

Quando a reação terminar, concentre a mistura usando um evaporador rotativo. Em seguida, seque o resíduo em uma linha de alto vácuo por 1 hora e adquira uma RMN de 1H em clorofórmio deuterado.

Agora vamos comparar a reação se realizada na presença do antioxidante dibutilhidroxi tolueno, ou BHT. Preparar duas amostras idênticas, dissolvendo CoCl2?6H2O?e butiraldeído em 1,2-dicloroetano utilizando um frasco de cintilação de 20 ml. Adicione o antioxidante a cada solução, seguido de uma barra de agitação, e encaixe cada frasco com um septo de borracha.

Semelhante à reação anterior, use um balão para purgar a solução nos frascos com oxigênio e, em seguida, agite as reações sob a atmosfera de oxigênio por 4 horas em temperatura ambiente. Após 4 horas, concentrar uma das misturas utilizando um evaporador rotativo para uma RMN de 1H. Seque a amostra em alto vácuo e use esta amostra para obter uma RMN de 1H. A outra reação será usada para EPR.

Ligue o espectrômetro EPR e deixe o instrumento aquecer por 30 min. No computador, ajuste a cavidade vazia do instrumento EPR para certificar-se de que não há contaminantes no instrumento.

Configure uma aquisição de EPR com os parâmetros indicados no texto. Meça um espectro EPR de um tubo EPR vazio para garantir que não haja sinais de fundo do tubo EPR ou do ressonador do instrumento.

Em seguida, use BHT e prepare uma solução em 1,2-dicloroetano em um porta-luvas cheio de N2. Transfira 0,5 mL da solução para um tubo EPR de 2 mm, tampando-o com uma tampa plástica do tubo EPR. Meça o espectro EPR do BHT usando os parâmetros de aquisição configurados anteriormente.

Agora, use a reação contendo BHT e prepare uma solução EPR seguindo o mesmo procedimento da amostra BHT. Adquira um espectro EPR usando os parâmetros de aquisição configurados anteriormente.

Agora, vamos comparar as reações com e sem o antioxidante BHT usando os dados de RMN e EPR.

A auto-oxidação do butiraldeído fornece ácido butírico. O espectro de RMN-1H obtido a partir da reação mostra a falta de uma ressonância CH aldeídica e a presença das ressonâncias esperadas do ácido butírico.

Em contraste, a RMN obtida a partir da mistura de reação com BHT adicionado exibe sinais consistentes com butiraldeído, sem presença de ácido butírico. A partir desses dados, mostra-se que o BHT tem servido como antioxidante na auto-oxidação do aldeído.

O papel do BHT na inibição da auto-oxidação do aldeído é iluminado pelos espectros de EPR obtidos do BHT e do BHT adicionado à reação de auto-oxidação do aldeído.

BHT é uma molécula orgânica diamagnética, o que significa que não há elétrons desemparelhados. Consequentemente, o espectro EPR do BHT não exibe sinais. Em contraste, o espectro EPR da reação de auto-oxidação na qual o BHT foi adicionado exibe um forte padrão de quatro linhas, consistente com um radical orgânico.

Esse espectro surge porque a ligação OH do BHT é fraca. Na presença de radicais gerados durante a auto-oxidação, a transferência de hidrogênio do BHT extingue o mecanismo da cadeia de radicais e gera um radical estável centrado no oxigênio.

A espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica é um método analítico, frequentemente usado em química orgânica e inorgânica para obter informações adicionais, além dos métodos comuns, como RMN ou espectroscopia IR.

Por exemplo, o EPR pode ser usado para estudar sistemas biológicos, como o metabolismo de cianobactérias. As cianobactérias são suspensas em uma solução contendo radical tritila e colocadas em uma sonda de imagem. A amostra é irradiada com luz e a concentração de radicais é medida em relação ao tempo.

Este estudo mostrou que a concentração de trytil diminuiu sob a luz, mas permaneceu constante na escuridão, demonstrando que a atividade metabólica é dependente da luz.

Moléculas com elétrons desemparelhados podem ser difíceis de caracterizar apenas com RMN, portanto, a espectroscopia EPR é frequentemente usada para analisar radicais orgânicos com mais detalhes. Os espectros experimentais de EPR delineiam o fator g do elétron desemparelhado, fornecendo informações sobre a estrutura eletrônica do centro paramagnético.

Além disso, os spins nucleares dos núcleos com o elétron desemparelhado, bem como os núcleos vizinhos, influenciam o momento magnético de um elétron, dando origem a uma divisão adicional dos estados de spin e múltiplas linhas no espectro EPR. O acoplamento hiperfino e super-hiperfino resultante fornece mais informações sobre a estrutura eletrônica da molécula

Você acabou de assistir à introdução de JoVE à espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica. Agora você deve estar familiarizado com os princípios de EPR, autooxidação, uma reação de auto-oxidação e várias aplicações da espectroscopia de EPR. Como sempre, obrigado por assistir!