Espectroscopia de ressonância paramagnética eletrônica (EPR)

Ressonância paramagnética eletrônica, ou EPR, espectroscopia é uma técnica importante para a caracterização de compostos paramagnéticos, como compostos com elétrons não analisados.

A 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 o tolueno dibutylhydroxy e seu comportamento antioxidante na autoxidação de aldeídos alifáticos, e discutir algumas aplicações.

EPR é uma técnica espectroscópica que é usada para estudar moléculas com elétrons não analisados 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 rotação 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 rotação depende da força do campo magnético. Isso é chamado de efeito Zeeman.

Em um determinado campo magnético, a diferença de energia entre os dois estados de rotação é dada por ΔE.

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

O gradiente de campo elétrico da molécula influenciará o campo magnético eficaz, que, se conectado a esta equação, define o fator gpara um elétron não verificado em uma determinada molécula nesta equação global simplificada.

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

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

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

Um mecanismo pelo qual os antioxidantes podem funcionar é reagindo com os intermediários radicais para inibir processos radicais em cadeia. Como espécies radicais têm spins não pagos, a 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 tolueno dibutylhydroxy, como um antioxidante na autoxidação de aldeídos alifáticos.

Vamos começar com a autoxidação de butyraldeído na ausência de um antioxidante. Usando um frasco de cintilação de 20 mL, dissolva 125 mL de butildeído e 1 mg de CoCl₂·6H₂O em 4 mL de 1,2-dicloroetano. Adicione uma barra de meximento magnética e sele o frasco com um septo de borracha.

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 com um elástico e fita elétrica. Em seguida, inflar o balão com gás oxigênio.

Insira a agulha do balão cheio de oxigênio no frasco. Insira uma segunda agulha através do septo e purgue a solução com gás oxigênio por cinco minutos. Uma vez purgado, retire a segunda agulha e coloque o frasco em uma placa de mexida, agitando a reação por 4 horas em temperatura ambiente.

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

Agora vamos comparar a reação se realizada na presença do tolueno antioxidante dibutylhydroxy, ou BHT. Prepare duas amostras idênticas, dissolvendo cocl₂·6H₂O e butyraldeído em 1,2-dicloroetano usando um frasco de cintilação de 20 mL. Adicione o antioxidante a cada solução, seguido de uma barra de mexida, e encaixe cada frasco com um septo de borracha.

Semelhante à reação anterior, use um balão para limpar a solução nos frascos com oxigênio, em seguida, mexa as reações sob atmosfera de oxigênio por 4 horas à temperatura ambiente. Após 4 horas, concentre uma das misturas usando um evaporador rotativo para um H-NMR ^{de 1}H. Seque a amostra em alto vácuo e use esta amostra para obter um H-NMR ^{de 1}H.NMR. A outra reação será usada para EPR.

Ligue o espectrômetro EPR e deixe o instrumento aquecer por 30 minutos. No computador, sintonize 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 de instrumentos.

Em seguida, use BHT e prepare uma solução em 1,2-dicloroetano em um porta-luvas n₂cheio. Transfira 0,5 mL da solução para um tubo EPR de 2 mm, tampando-o com uma tampa de tubo de EPR de plástico. Meça o espectro EPR de BHT utilizando os parâmetros de aquisição estabelecidos anteriormente.

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

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

A autoxidação de butyraldeído proporciona ácido butírico. O espectro ¹H-NMR obtido a partir da reação mostra a falta de uma ressonância C-H aldeídica e a presença das ressonâncias esperadas do ácido butírico.

Em contraste, a RMN obtida a partir da mistura de reação com adicionado BHT exibe sinais consistentes com butyraldeído, sem ácido butírico presente. A partir desses dados, mostra-se que o BHT tem servido como um antioxidante na autoxida de aldeído.

O papel do BHT na inibição da autoxida de aldeído é iluminado pelos espectros de EPR obtidos de BHT e de BHT adicionados à reação de autoxidato de aldeído.

BHT é uma molécula orgânica diamagnética, o que significa que não há elétrons não pagos. Assim, o espectro EPR do BHT não exibe sinais. Em contraste, o espectro EPR da reação de autoxidação na qual o BHT foi adicionado exibe um forte padrão de quatro forrados, consistente com um radical orgânico.

Esse espectro surge porque o vínculo O-H da BHT é fraco. Na presença de radicais gerados durante a autoxidação, a transferência de hidrogênio da BHT extingui o mecanismo de cadeia radical e gera um radical estável centrado em oxigênio.

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

Por exemplo, a EPR pode ser usada para estudar sistemas biológicos, como o metabolismo de cianobactérias. As cianobactérias são suspensas em uma solução contendo trityl radical, e colocadas em uma sonda de imagem. A amostra é irradiada com luz e a concentração radical 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 não ressarciais podem ser desafiadoras para caracterizar apenas com NMR, assim a espectroscopia de EPR é frequentemente usada para analisar radicais orgânicos com mais detalhes. Espectros experimentais de EPR delineiam o fator gdo elétron não verificado, fornecendo informações sobre a estrutura eletrônica do centro paramagnético.

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

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