Overview
מקור: דייוויד ס. פאוורס, תמרה מ. פאוורס, טקסס A&M
בסרטון זה נלמד את העקרונות הבסיסיים שמאחורי תהודה אלקטרון פרמגנטית (EPR). אנו נשתמש בספקטרוסקופיית EPR כדי לחקור כיצד דיבוטיל הידרוקסי טולואן (BHT) מתנהג כנוגד חמצון באוטוקסידיקציה של אלדהידים אליפטיים.
Principles
יסודות EPR:
EPR היא טכניקה ספקטרוסקופית הנשענת על תופעות פיזיות דומות כמו ספקטרוסקופיית תהודה מגנטית גרעינית (NMR). בעוד NMR מודד מעברי ספין גרעיניים, EPR מודד מעברי ספין אלקטרונים. EPR משמש בעיקר לחקר מולקולות פרמגנטיות, שהן מולקולות עם אלקטרונים לא מתופסים. זכור כי לאלקטרון יש מספר קוונטי ספין, s = 1/2, אשר יש רכיבים מגנטיים ms = 1/2 ו ms = -1/2. בהיעדר שדה מגנטי, האנרגיה של שני מצבי m s שקולה. עם זאת, בנוכחות שדה מגנטי מיושם (B0), הרגע המגנטי של האלקטרון מתיישר עם השדה המגנטי המיושם, וכתוצאה מכך, מצבי ms הופכים ללא מנוונים (איור 1). הפרש האנרגיה בין מצב ms תלוי בעוצמת השדה המגנטי (משוואה 1). זה נקרא אפקט זימן.
E = m2geμBB 0 (משוואה 1)
כאשר ge הוא g-factor,שהוא 2.0023 עבור אלקטרון חופשי μB הוא מגנטון בוהר.
בשדה מגנטי נתון, B0, הפרש האנרגיה בין שני מצבי ms ניתן על ידי משוואה 2.
ΔE = E1/2 — E-1/2 = geμB0 = hυ (משוואה 2)
אלקטרון נע בין שני מצבים שלמ'עם פליטה או ספיגה של פוטון עם אנרגיה ΔE =hυ. משוואה 2 חלה על אלקטרון יחיד, חופשי. עם זאת, בדומה לאופן שבו השינוי הכימי ב- 1H NMR תלוי בסביבה הכימית של אטום H, אלקטרונים בתוך מולקולות אינם מתנהגים באותו אופן כמו אלקטרון מבודד. שיפוע השדה החשמלי של המולקולה ישפיע על השדה המגנטי היעיל, שניתן על ידי משוואה 3.
Beff = B0(1 — σ) (משוואה 3)
כאשר σ הוא ההשפעה של שדות מקומיים, אשר יכול להיות ערך חיובי או שלילי.
חיבור משוואה 3 למשוואה 2, אנו יכולים להגדיר את גורם gעבור אלקטרון לא משוחזר במולקולה נתונה כ- g = g e(1 - σ), המפשט את המשוואה הכוללת ל:
hυ = gμB0(משוואה 4)
במהלך ניסוי EPR, התדירות נסחפת, בדרך כלל באזור המיקרוגל הנע בין 9,000-10,000 MHz, והשדה מוחזק קבוע בסביבות 0.35 T, ומאפשר חישוב של g. קביעת g ניסיונית באמצעות EPR מספקת מידע על המבנה האלקטרוני של מולקולה פרמגנטית.
איור 1. פיצול של מצבי רגע מגנטי, ms, בנוכחות שדה מגנטי.
יישום EPR:
בניסוי זה, נשתמש בספקטרוסקופיית EPR כדי לחקור את הכימיה של נוגדי חמצון. O2, המהווה ~ 21% מהאטמוספירה של כדור הארץ, הוא חמצון חזק. למרות הפוטנציאל שלו לפעול כחמצון, O2 הוא שלישיית מצב קרקע ולכן מגיב רק די לאט עם רוב המולקולות האורגניות. תגובה חשובה אחת, אם כי לעתים קרובות לא רצויה, בתיווך O2 היא autoxidation. בכימיה autoxidation, O2 יוזם תהליכי שרשרת רדיקלית, אשר יכול לצרוך במהירות מולקולות אורגניות. איור 2 ממחיש את ההסתה האוטומטית הנפוצה, שבה אלדהידים מחומצנים לחומצות קרבוקסיליות.
מניעת כימיית autoxidation חשוב כדי למנוע פירוק של חומרים אורגניים נפוצים רבים, כגון פלסטיק, ושדה גדול התפתח סביב זיהוי נוגדי חמצון יעילים כדי לעכב autoxidation. מנגנון אחד שבאמצעותו נוגדי חמצון יכולים לתפקד הוא על ידי תגובה עם המתווכים הרדיקליים כדי לעכב תהליכי שרשרת רדיקליים. מכיוון שלמינים קיצוניים יש ספינים לא מתורבתים, EPR הוא כלי בעל ערך להבנת הכימיה של נוגדי חמצון. בניסוי זה, נשתמש בספקטרוסקופיית EPR כדי לחקור את תפקידו של BHT כנוגד חמצון באוטוקסידיקציה של אלדהידים אליפטיים.
איור 2. התקסמות האוטומטית של אלדהיד מתקדמת באמצעות מנגנון שרשרת רדיקלי.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. חתימה אוטומטית של בוטרלדהיד
- הכן פתרון של בוטירלדהיד (100 מ"ג) וקוקל2·6H2O (1 מ"ג) ב-1,2-דיכלורואתן (DCE) (4 מ"ל) בלוויית נוצצת של 20 מ"ל. מוסיפים מוט ערבוב מגנטי ומתאימה את הקרבון במחיצת גומי.
- חבר את הקנה של מזרק פלסטיק 1 מ"ל לחתיכת צינורות גומי קצרה. הכנס את צינורות הגומי לתוך בלון לטקס ואבטח את הבלון לצינור עם גומייה וסרט חשמלי. לנפח בלון לטקס עם O2.
- הכנס את המחט של בלון O2 לתוך ממתקנה התגובה. הכנס מחט שנייה לתוך המחיצה לטהר את הראש-חלל של כלי התגובה עם O2.
- בעזרת צלחת ערבוב, מערבבים את התגובה בטמפרטורת החדר במשך 4 שעות תחת אטמוספרת O2.
- מרכז את תערובת התגובה באמצעות מאייד סיבובי ולקחת ספקטרום 1H NMR של שאריות שמנוניות וכתוצאה מכך CDCl3.
2. שימוש ב- BHT כנוגד חמצון עבור autoxidation של Butyraldehyde
הגדר שני בקבוקונים כמתואר להלן. אחד ישמש לניתוח הפצת המוצר ואחד ישמש בשלב 3 עבור ספקטרוסקופיית EPR.
- הכן פתרון של בוטרלדהיד (100 מ"ג) וקוקל2·6H2O (1 מ"ג) ב- DCE (4 מ"ל) בלוויית נוצצת של 20 מ"ל. הוסף BHT (10 מ"ג) לפתרון. מוסיפים מוט ערבוב מגנטי ומתאימה את הקרבון במחיצת גומי.
- חבר את הקנה של מזרק פלסטיק 1 מ"ל לחתיכת צינורות גומי קצרה. הכנס את צינורות הגומי לתוך בלון לטקס ואבטח את הבלון לצינור עם גומייה וסרט חשמלי. לנפח בלון לטקס עם O2.
- הכנס את המחט של בלון O2 לתוך ממתקנה התגובה. הכנס מחט שנייה לתוך המחיצה לטהר את הראש-חלל של כלי התגובה עם O2.
- בעזרת צלחת ערבוב, מערבבים את התגובה בטמפרטורת החדר במשך 4 שעות תחת אטמוספרת O2.
- מרכז את תערובת התגובה באמצעות מאייד סיבובי ולקחת ספקטרום 1H NMR של שאריות שמנוניות וכתוצאה מכך CDCl3.
3. מדידת ספקטרום EPR
- הפעל את ספקטרומטר EPR ותן למכשיר להתחמם למשך 30 דקות. הגדר רכישת EPR עם הפרמטרים הבאים: שדה מרכזי 3,345 G, רוחב לטאטא 100 G, זמן לטאטא 55 s, קבוע זמן 10 ms, כוח MW 5 mW, אפנון 100 kHz, משרעת אפנון 1 G.
- מדוד ספקטרום EPR של צינור EPR ריק כדי להבטיח כי אין אותות רקע מצינור EPR או מהדהד המכשיר.
- הכן פתרון של BHT ב- DCE בתא כפפות מלא N2. העבר 0.5 מ"ל של הפתרון לצינור EPR ולמדוד את ספקטרום EPR של BHT באמצעות הפרמטרים רכישה להגדיר בשלב 3.1.
- העבר 0.5 מ"ל של פתרון התגובה שנוסף BHT מ- שלב 2 לצינור EPR ורכוש ספקטרום EPR באמצעות פרמטרי הרכישה שנקבעו בשלב 3.1.
תהודה אלקטרון פרמגנטית, או EPR, ספקטרוסקופיה היא טכניקה חשובה לאפיון של תרכובות פרמגנטיות, כגון תרכובות עם אלקטרונים לא מנוטרלים.
EPR יש יישומים חשובים רבים בחקר רדיקלים אורגניים, מתחמים אנאורגניים פרמגנטיים, וכימיה ביואורגנית.
וידאו זה ימחיש את העקרונות הבסיסיים מאחורי תהודה פרמגנטית אלקטרונים, השימוש EPR ללמוד dibutylhydroxy טולואן ואת ההתנהגות נוגדת החמצון שלה autoxidation של אלדהידים אליפטיים, ולדון בכמה יישומים.
EPR היא טכניקה ספקטרוסקופית המשמשת לחקר מולקולות עם אלקטרונים לא מתווספים על ידי מדידת מעברי ספין אלקטרונים.
לאלקטרון יש מספר קוונטי ספין של 1/2, שיש לו רכיבים מגנטיים של +1/2 או -1/2.
בהיעדר שדה מגנטי, האנרגיה של שני מצבי הספין שקולה. עם זאת, בנוכחות שדה מגנטי מיושם, הרגע המגנטי של האלקטרון מתיישר עם השדה המגנטי המיושם, ומדיני הסיבוב הופכים ללא מנוונים.
הפרש האנרגיה בין מצב הספין תלוי בעוצמת השדה המגנטי. זה נקרא אפקט זימן.
בשדה מגנטי נתון, הפרש האנרגיה בין שני מצבי הספין ניתן על ידי ΔE.
אלקטרון נע בין שני מצבי ספין עם פליטה או ספיגה של פוטון עם אנרגיה ΔE. עם זאת, משוואה זו חלה על אלקטרון יחיד, חופשי, ואינה מסבירה את העובדה שאלקטרונים בתוך מולקולות אינם מתנהגים באותו אופן כמו אלקטרון מבודד.
שיפוע השדה החשמלי של המולקולה ישפיע על השדה המגנטי האפקטיבי, שאם הוא מחובר למשוואה זו, מגדיר את גורם הג'יעבור אלקטרון לא משולם במולקולה נתונה במשוואה הכוללת הפשוטה הזו.
במהלך ניסוי EPR, התדירות נסחפת, בעוד השדה מוחזק קבוע, ומאפשר חישוב של גורם g המספק מידע על המבנה האלקטרוני של מולקולה paramagnetic.
בניסוי זה, ספקטרוסקופיית EPR משמשת לחקר נוגדי חמצון. חמצן, שהוא חמצון חזק, הוא שלישיית מצב הקרקע ולכן מגיב די לאט עם רוב המולקולות האורגניות. תגובה חשובה אחת, אם כי לעתים קרובות לא רצויה, בתיווך חמצן היא autoxidation, שבו O2 יוזם תהליכי שרשרת רדיקלית.
זה יכול להוביל לצריכה מהירה של מולקולות אורגניות ופירוק של חומרים אורגניים רבים, כגון פלסטיק. לכן, זיהוי נוגדי חמצון יעילים כדי לעכב autoxidation הפך לתחום מחקר חשוב.
מנגנון אחד שבאמצעותו נוגדי חמצון יכולים לתפקד הוא על ידי תגובה עם המתווכים הרדיקליים כדי לעכב תהליכי שרשרת רדיקליים. מכיוון שלמינים קיצוניים יש ספינים לא מתורבתים, EPR הוא כלי בעל ערך להבנת הכימיה של נוגדי חמצון.
עכשיו בואו נסתכל על איך ספקטרוסקופיית EPR משמשת כדי לחקור את התפקיד של טלוין dibutylhydroxy, כנוגד חמצון ב autoxidation של אלדהידים אליפטיים.
בואו נתחיל עם autoxidation של butyraldehyde בהיעדר נוגד חמצון. באמצעות 20 מ"ל נוצץ vial, להמיס 125 מ"ל של butyraldehyde ו 1 מ"ג של CoCl2·6H2O ב 4 מ"ל של 1,2-דיכלורואתן. מוסיפים מוט מערבוב מגנטי ואטמים את הקרבון במחיצת גומי.
חבר את הקנה של מזרק פלסטיק 1 מ"ל לחתיכת צינורות גומי קצרה. הכנס את צינורות הגומי לתוך בלון לטקס ומאובטח עם גומייה וסרט חשמלי. ואז לנפח את הבלון עם גז חמצן.
הכנס את המחט של הבלון מלא החמצן לתוך המשחקון. הכנס מחט שנייה דרך המחיצה, ולטהר את הפתרון עם גז חמצן במשך חמש דקות. לאחר מטוהר, למשוך את המחט השנייה, ומניחים את הקרבון על צלחת ערבוב, ערבוב התגובה במשך 4 שעות בטמפרטורת החדר.
כאשר התגובה מסתיימת, לרכז את התערובת באמצעות מאידה סיבובי. לאחר מכן, לייבש את השאריות על קו ואקום גבוה במשך 1 שעות, ולרכוש 1H-NMR בכלורופורם deuterated.
עכשיו בואו נשווה את התגובה אם בוצע בנוכחות נוגד חמצון dibutylhydroxy טולואן, או BHT. הכן שתי דגימות זהות, על ידי המסת CoCl2·6H2O ו butyraldehyde ב 1,2-דיכלורואתן באמצעות 20 מ"ל נבונה נוצצים. מוסיפים את נוגד החמצון לכל פתרון, ואחריו מוט ערבוב, ומתאימים לכל חתלתאל במחיצה מגומי.
בדומה לתגובה הקודמת, השתמש בבלון כדי לטהר את הפתרון בבקבוקונים עם חמצן, ולאחר מכן לערבב את התגובות תחת אטמוספרת חמצן במשך 4 שעות בטמפרטורת החדר. לאחר 4 שעות, לרכז את אחת התערובות באמצעות מאייד סיבובי עבור 1H-NMR. יבש את המדגם על ואקום גבוה, ולהשתמש במדגם זה כדי להשיג 1H-NMR. התגובה האחרת תשמש עבור EPR.
הפעל את ספקטרומטר EPR ולתת את המכשיר להתחמם במשך 30 דקות. במחשב, כוונן את החלל הריק של מכשיר EPR כדי לוודא שאין מזהמים במכשיר.
הגדר רכישת EPR עם הפרמטרים המוצבים בטקסט. מדוד ספקטרום EPR של צינור EPR ריק כדי להבטיח כי אין אותות רקע מצינור EPR או מהדהד המכשיר.
לאחר מכן, השתמש BHT ולהכין פתרון 1,2-dichloroethane בתיבת כפפות N2מלא. העבר 0.5 מ"ל של הפתרון לצינור EPR 2 מ"מ, מכסה אותו עם מכסה EPR-צינור פלסטיק. מדוד את ספקטרום ה- EPR של BHT באמצעות פרמטרי הרכישה שהוגדרו בעבר.
כעת, השתמש בתגובה המכילה BHT והכן פתרון EPR בהתאם לאותו הליך כמו עבור מדגם BHT. השג ספקטרום EPR באמצעות פרמטרי הרכישה שהוגדרו בעבר.
עכשיו, בואו נשווה את התגובות עם ובלי נוגד חמצון BHT באמצעות נתוני NMR ו- EPR.
ההסתה האוטומטית של בוטירלדהיד מעניקה חומצה בוטירית. ספקטרום H-NMR 1שהתקבל מהתגובה מראה את היעדר תהודה C-H אלדהידית ואת נוכחות התהודה הצפויה מחומצה בוטירית.
לעומת זאת, NMR המתקבל מתערובת התגובה עם BHT הוסיף מציג אותות בקנה אחד עם butyraldehyde, ללא חומצה בוטירית נוכח. מנתונים אלה, הוא הראה כי BHT שימש נוגד חמצון ב autoxidation aldehyde.
התפקיד של BHT בעיכוב אותחידציה אוטומטית אלדהיד מואר על ידי ספקטרום EPR המתקבל של BHT ושל BHT הוסיף תגובת autoxidation aldehyde.
BHT היא מולקולה אורגנית דימגנטית, כלומר אין אלקטרונים לא מתואמים. בהתאם לכך, ספקטרום EPR של BHT אינו מציג אותות. לעומת זאת, ספקטרום EPR של תגובת ה- autoxidation שבה נוספה BHT מציג תבנית חזקה בעלת ארבע שורות, התואמת לקיצוני אורגני.
ספקטרום זה מתעורר כי הקשר O-H של BHT חלש. בנוכחות רדיקלים שנוצרו במהלך autoxidation, העברת המימן מ- BHT מרווה את מנגנון השרשרת הרדיקלית ומייצרת רדיקל יציב המרוכז בחמצן.
ספקטרוסקופיית תהודה אלקטרון פרמגנטית היא שיטה אנליטית, המשמשת לעתים קרובות בכימיה אורגנית ולא אורגנית כדי לקבל מידע נוסף, מלבד השיטות הנפוצות כגון ספקטרוסקופיית NMR או IR.
לדוגמה, EPR יכול לשמש לחקר מערכות ביולוגיות כגון חילוף החומרים של ציאנובקטריה. הציאנובקטריה מושעית בתמיסה המכילה רדיקלים טריטיל, ומוצבת בבדיקת הדמיה. המדגם מוקרן באור והריכוז הרדיקלי נמדד ביחס לזמן.
מחקר זה הראה כי ריכוז טריטיל ירד תחת אור, אבל נשאר קבוע בחושך, המוכיח כי פעילות מטבולית תלויה באור.
מולקולות עם אלקטרונים לא מנוצלים יכולות להיות מאתגרות לאפיון עם NMR בלבד, ולכן ספקטרוסקופיית EPR משמשת לעתים קרובות לניתוח רדיקלים אורגניים בפירוט רב יותר. ספקטרום EPR ניסיוני תפרט את גורם הג'ישל האלקטרון הלא ממופה, ומספק מידע על המבנה האלקטרוני של המרכז הפרמגנטי.
יתר על כן, הספינים הגרעיניים של הגרעינים עם האלקטרון הלא משוחזר, כמו גם הגרעינים השכנים, משפיעים על הרגע המגנטי של אלקטרון, ומעוררים פיצול נוסף של מצבי הספין וקווים מרובים בספקטרום EPR. היפרפין וסופר-היפרפין המתקבלים מספקים מידע נוסף על המבנה האלקטרוני של המולקולה
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לספקטרוסקופיית תהודה אלקטרון-מגנטית. עכשיו אתה צריך להכיר את העקרונות של EPR, autoxidation, תגובת autoxidation, ויישומים שונים של ספקטרוסקופיית EPR. כמו תמיד, תודה שצפית!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
ההסתה האוטומטית של בוטירלדהיד מעניקה חומצה בוטירית. ספקטרום 1H NMR שהתקבל מהתגובה שבוצעה בשלב 1 מראה את היעדר תהודה C-H אלדהידית ואת נוכחות התהודה הצפויה מחומצה בוטירית. לעומת זאת, NMR המתקבל מתערובת התגובה בשלב 2 (עם תוספת BHT) מציג אותות התואמים עם butyraldehyde, ללא חומצה בוטירית נוכח. מנתונים אלה, אנו מתבוננים בבוטירלדהיד שימש כנוגד חמצון ב- autoxidation aldehyde.
התפקיד של BHT בעיכוב אותחידציה אוטומטית אלדהיד מואר על ידי ספקטרום EPR המתקבל של BHT ושל BHT הוסיף תגובת autoxidation aldehyde. BHT היא מולקולה אורגנית דימגנטית, כלומר אין אלקטרונים לא מתואמים. בהתאם לכך, ספקטרום EPR של BHT אינו מציג אותות. לעומת זאת, ספקטרום EPR של תגובת ה- autoxidation שבה נוספה BHT מציג תבנית חזקה בעלת ארבע שורות, התואמת לקיצוני אורגני. ספקטרום זה מתעורר מכיוון שהקשר O-H של BHT חלש ובנוכחות רדיקלים שנוצרו במהלך autoxidation, העברת H-אטומים מ- BHT מרווה את מנגנון השרשרת הרדיקלי ומייצרת רדיקל יציב ומרוכז O.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
בניסוי זה, חקרנו את תפקידם של נוגדי חמצון בעיכוב הכימיה של autoxidation. בדקנו את מנגנון העיכוב באמצעות ספקטרוסקופיית EPR, אשר גילה כי BHT משמש נוגד חמצון על ידי מרווה מתווכים רדיקלי תגובתי באמצעות העברת H-אטומים.
מולקולות עם אלקטרונים לא מתווספים יכולות להיות מאתגרות לאפיין על ידי NMR ולכן ספקטרוסקופיית EPR מספקת לעתים קרובות מידע שימושי ומשלים לגבי מינים אלה. ספקטרוסקופיית EPR היא טכניקה ניסיונית המשמשת לעתים קרובות כדי לזהות ולאפיין רדיקלים אורגניים. בנוסף, מתחמים אנאורגניים פרמגנטיים מציגים לעתים קרובות ספקטרום EPR שיכול להיות מאלף לאפיון. ספקטרום EPR ניסיוני תפרט את גורם הג'ישל האלקטרון הלא משוער, המספק מידע על המבנה האלקטרוני של המרכז הפרמגנטי. בנוסף, הספינים הגרעיניים של הגרעינים עם אלקטרון לא משוער, כמו גם גרעינים שכנים משפיעים גם על הרגע המגנטי של אלקטרון, מה שמוליד פיצול נוסף של מצבי ms וקווים מרובים בספקטרום EPR. צימוד היפרפין וסופר-היפרפין המתקבל מספק מידע נוסף על המבנה האלקטרוני של המולקולה.
בנוסף לאפיון מינים אורגניים ולא אורגניים של קליפה פתוחה, הרגישות המעודנת של ספקטרוסקופיית EPR היא קריטית ליישום למערכות ביו-אורגניות, שבהן ריכוז קופקטורים ממתכת נמוך. ספקטרום EPR משמשים באופן שגרתי בכימיה ביואורגנית כדי לספק מידע ישיר על המבנים ועל מצבי חמצון של יונים מתכת בלב אנזימים.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
