6.21: Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса (ЭПР)

1. Автоокисление бутиральдегида

1. Приготовьте раствор бутиральдегида (100 мг) и CoCl₂·6H₂O (1 мг) в 1,2-дихлорэтане (DCE) (4 мл) в сцинтилляционном флаконе объемом 20 мл. Добавьте магнитную мешалку и наложите на флакон резиновую перегородку.
2. Прикрепите цилиндр пластикового шприца объемом 1 мл к короткому отрезку резиновой трубки. Вставьте резиновую трубку в латексный баллон и закрепите баллон на трубке с помощью резинки и изоленты. Надуйте латексный воздушный шар с О₂.
3. Вставьте иглу баллона O₂ в реакционный флакон. Вставьте вторую иглу в перегородку и продуйте головное пространство реакционного сосуда с помощью O₂.
4. Используя пластину для перемешивания, перемешайте реакцию при комнатной температуре в течение 4 часов при атмосфере_О2.
5. Сконцентрируйте реакционную смесь с помощью ротационного испарителя и изготовьте спектр ЯМР 1 Н полученного маслянистого остатка в CDCl₃.

2. Использование BHT в качестве антиоксиданта для автоокисления бутиральдегида

Установите два флакона, как описано ниже. Один из них будет использоваться для анализа распределения продукта, а другой будет использоваться на этапе 3 для ЭПР-спектроскопии.

1. Приготовьте раствор бутиральдегида (100 мг) и CoCl₂·6H₂O (1 мг) в DCE (4 мл) в сцинтилляционном флаконе объемом 20 мл. Добавьте в раствор BHT (10 мг). Добавьте магнитную мешалку и наложите на флакон резиновую перегородку.
2. Прикрепите цилиндр пластикового шприца объемом 1 мл к короткому отрезку резиновой трубки. Вставьте резиновую трубку в латексный баллон и закрепите баллон на трубке с помощью резинки и изоленты. Надуйте латексный воздушный шар с О₂.
3. Вставьте иглу баллона O₂ в реакционный флакон. Вставьте вторую иглу в перегородку и продуйте головное пространство реакционного сосуда с помощью O₂.
4. Используя пластину для перемешивания, перемешайте реакцию при комнатной температуре в течение 4 часов при атмосфере_О2.
5. Сконцентрируйте реакционную смесь с помощью ротационного испарителя и изготовьте спектр ЯМР 1 Н полученного маслянистого остатка в CDCl₃.

3. Измерение спектров ЭПР

1. Включите ЭПР-спектрометр и дайте прибору прогреться в течение 30 мин. Настройте сбор ЭПР со следующими параметрами: центральное поле 3 345 G, ширина развертки 100 G, время развертки 55 с, постоянная времени 10 мс, мощность СВт 5 мВт, модуляция 100 кГц и амплитуда модуляции 1 G.
2. Измерьте спектр ЭПР пустой ЭПР-трубки, чтобы убедиться в отсутствии фоновых сигналов ни от ЭПР-трубки, ни от резонатора прибора.
3. Приготовьте раствор BHT в DCE в бардачке, заполненном N₂. Перенесите 0,5 мл раствора в ЭПР-пробирку и измерьте спектр ЭПР BHT с использованием параметров регистрации, заданных на шаге 3.1.
4. Перенесите 0,5 мл реакционного раствора, добавленного BHT, со Стадии 2 в пробирку для ЭПР и получите спектр ЭПР с использованием параметров сбора, заданных на Шаге 3.1.

Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса, или ЭПР, является важным методом для определения характеристик парамагнитных соединений, таких как соединения с неспаренными электронами.

ЭПР имеет множество важных применений в изучении органических радикалов, парамагнитных неорганических комплексов и бионеорганической химии.

В этом видео будут проиллюстрированы основные принципы электронного парамагнитного резонанса, использование ЭПР для изучения дибутилгидрокситолуола и его антиоксидантных свойств при автоокислении алифатических альдегидов, а также обсуждены некоторые варианты их применения.

ЭПР — это спектроскопический метод, который используется для изучения молекул с неспаренными электронами путем измерения спиновых переходов электронов.

Электрон имеет спиновое квантовое число 1/2, которое имеет магнитные компоненты либо +1/2, либо -1/2.

В отсутствие магнитного поля энергия двух спиновых состояний эквивалентна. Однако в присутствии приложенного магнитного поля магнитный момент электрона выравнивается с приложенным магнитным полем, и спиновые состояния становятся невырожденными.

Разность энергий между спиновыми состояниями зависит от силы магнитного поля. Это называется эффектом Зеемана.

В данном магнитном поле разница энергий между двумя спиновыми состояниями определяется как ?E.

Электрон перемещается между двумя спиновыми состояниями при испускании или поглощении фотона с энергией ?E. Однако это уравнение применимо к одиночному свободному электрону и не учитывает тот факт, что электроны внутри молекул ведут себя не так, как изолированный электрон.

Градиент электрического поля молекулы будет влиять на эффективное магнитное поле, которое, если его подключить к этому уравнению, определяет g-фактор для неспаренного электрона в данной молекуле в этом упрощенном общем уравнении.

Во время эксперимента с ЭПР частота развертывается, в то время как поле остается постоянным, что позволяет рассчитать g-фактор, дающий информацию об электронной структуре парамагнитной молекулы.

В данном эксперименте для изучения антиоксидантов используется ЭПР-спектроскопия. Кислород, который является сильным окислителем, является триплетом основного состояния и поэтому довольно медленно реагирует с большинством органических молекул. Одной из важных, хотя и часто нежелательных, реакций, опосредованных кислородом, является автоокисление, при котором O2 инициирует радикальные цепные процессы.

Это может привести к быстрому потреблению органических молекул и разложению многих органических материалов, таких как пластик. Таким образом, выявление эффективных антиоксидантов для ингибирования автоокисления стало важной областью исследований.

Одним из механизмов, с помощью которого антиоксиданты могут функционировать, является реакция с радикальными промежуточными продуктами для ингибирования процессов радикальной цепи. Поскольку радикальные частицы имеют непарные спины, ЭПР является ценным инструментом для понимания химии антиоксидантов.

Теперь давайте рассмотрим, как ЭПР-спектроскопия используется для изучения роли дибутилгидрокситолуола в качестве антиоксиданта в автоокислении алифатических альдегидов.

Начнем с автоокисления бутиральдегида в отсутствие антиоксиданта. С помощью сцинтилляционного флакона объемом 20 мл растворите 125 мл бутиральдегида и 1 мг CoCl2?6H2O?в 4 мл 1,2-дихлорэтана. Добавьте магнитную мешалку и запечатайте флакон резиновой перегородкой.

Прикрепите цилиндр пластикового шприца объемом 1 мл к короткому отрезку резиновой трубки. Вставьте резиновую трубку в латексный баллон и закрепите резинкой и изолентой. Затем надуйте воздушный шар газообразным кислородом.

Вставьте иглу наполненного кислородом баллона во флакон. Вставьте вторую иглу через перегородку, и продуйте раствор газообразным кислородом в течение пяти минут. После продувки извлеките вторую иглу и поместите флакон на тарелку для перемешивания, помешивая реакцию в течение 4 часов при комнатной температуре.

Когда реакция будет завершена, сконцентрируйте смесь с помощью ротационного испарителя. Затем высушите остаток на высоковакуумной линии в течение 1 часа и получите 1H-ЯМР в дейтерированном хлороформе.

Теперь сравним реакцию, если бы она проводилась в присутствии антиоксиданта дибутилгидрокситолуола, или BHT. Приготовьте два идентичных образца, растворив CoCl2?6H2O' и бутиральдегид в 1,2-дихлорэтане с помощью сцинтилляционного флакона объемом 20 мл. Добавьте антиоксидант в каждый раствор, затем перемешайте и наложите на каждый флакон резиновую перегородку.

Аналогично предыдущей реакции, с помощью баллона продуйте раствор во флаконах с кислородом, затем перемешайте реакции в атмосфере кислорода в течение 4 часов при комнатной температуре. Через 4 часа сконцентрируйте одну из смесей с помощью ротационного испарителя для 1H-NMR. Высушите образец в высоком вакууме и используйте этот образец для получения 1H-ЯМР. Другая реакция будет использоваться для ЭПР.

Включите ЭПР-спектрометр и дайте прибору прогреться в течение 30 минут. На компьютере настройте пустую полость прибора EPR, чтобы убедиться в отсутствии загрязнений в приборе.

Настройте сбор ЭПР с параметрами, указанными в тексте. Измерьте спектр ЭПР пустой ЭПР-трубки, чтобы убедиться в отсутствии фоновых сигналов ни от ЭПР-трубки, ни от резонатора прибора.

Затем используйте BHT и приготовьте раствор в 1,2-дихлорэтане в перчаточном ящике, заполненном N2. Перелейте 0,5 мл раствора в 2-миллиметровую ЭПР-пробирку, укупорив ее пластиковой крышкой для ЭПР-пробирки. Измерьте спектр ЭПР BHT с помощью ранее настроенных параметров сбора данных.

Теперь используйте реакцию, содержащую BHT, и приготовьте раствор ЭПР, следуя той же процедуре, что и для образца BHT. Получение спектра ЭПР с использованием ранее настроенных параметров сбора данных.

Теперь давайте сравним реакции с антиоксидантом BHT и без него, используя данные ЯМР и ЭПР.

Автоокисление бутиральдегида дает масляная кислота. Спектр 1H-ЯМР, полученный в результате реакции, показывает отсутствие альдегидного C-H резонанса и наличие резонансов, ожидаемых от масляной кислоты.

Напротив, ЯМР, полученный из реакционной смеси с добавлением BHT, демонстрирует сигналы, согласующиеся с бутиральдегидом, без присутствия масляной кислоты. Из этих данных показано, что BHT служил антиоксидантом в автоокислении альдегидов.

Роль BHT в ингибировании автоокисления альдегидов освещается полученными спектрами ЭПР BHT и BHT, добавленных в реакцию автоокисления альдегидов.

BHT является диамагнитной органической молекулой, что означает, что в ней нет неспаренных электронов. Соответственно, спектр ЭПР BHT НЕ отображает никаких сигналов. Напротив, спектр ЭПР реакции автоокисления, в которую был добавлен BHT, демонстрирует сильную четырехлинейную картину, соответствующую органическому радикалу.

Этот спектр возникает из-за того, что связь O-H BHT слабая. В присутствии радикалов, образующихся при автоокислении, перенос водорода из BHT гасит механизм радикальной цепи и генерирует стабильный радикал, центрированный на кислороде.

Спектроскопия электронного парамагнитного резонанса — это аналитический метод, который часто используется в органической и неорганической химии для получения дополнительной информации, помимо обычных методов, таких как ЯМР или ИК-спектроскопия.

Например, ЭПР может быть использована для изучения биологических систем, таких как метаболизм цианобактерий. Цианобактерии суспендируются в растворе, содержащем радикал тритила, и помещаются в зонд для визуализации. Образец облучают светом, и радикальная концентрация измеряется по времени.

Это исследование показало, что концентрация тритила снижалась при свете, но оставалась постоянной в темноте, демонстрируя, что метаболическая активность зависит от света.

Молекулы с неспаренными электронами может быть сложно охарактеризовать только с помощью ЯМР, поэтому ЭПР-спектроскопия часто используется для более детального анализа органических радикалов. Экспериментальные спектры ЭПР очерчивают g-фактор неспаренного электрона, предоставляя информацию об электронной структуре парамагнитного центра.

Кроме того, ядерные спины ядер с неспаренным электроном, а также соседние ядра влияют на магнитный момент электрона, что приводит к дополнительному расщеплению спиновых состояний и множеству линий в спектре ЭПР. Полученная сверхтонкая и сверхтонкая связь дает дополнительную информацию об электронной структуре молекулы

Вы только что посмотрели введение JoVE в спектроскопию электронного парамагнитного резонанса. Теперь вы должны быть знакомы с принципами ЭПР, автоокисления, реакции автоокисления и различными областями применения ЭПР-спектроскопии. Как всегда, спасибо за просмотр!