Overview
Fuente: David C. Powers, Tamara M. poderes, Texas A & M
En este video, aprenderemos los principios básicos detrás de resonancia paramagnética electrónica (EPR). Utilizamos espectroscopia EPR para el estudio de cómo dibutylhydroxy tolueno (BHT) se comporta como antioxidante en la autoxidación de Aldehídos alifáticos.
Principles
Fundamentos del EPR:
EPR es una técnica espectroscópica que se basa en fenómenos físicos similares como espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN). Mientras que NMR mide transiciones de spin nuclear, EPR mide transiciones de spin del electrón. EPR se utiliza principalmente para estudiar las moléculas paramagnéticas, que son moléculas con electrones no apareados. Recordar que un electrón tiene un número del quántum de la vuelta, s = ½, que tiene componentes magnéticos ms = 1/2 y ms = - ½. En la ausencia de un campo magnético, la energía de los dos Estados ms son equivalentes. Sin embargo, en presencia de un campo magnético aplicado (B0), el momento magnético del electrón se alinea con el campo magnético aplicado y, en consecuencia, los Estados ms ser no degenerado (figura 1). Depende de la diferencia de energía entre el estado ms fuerza de campo magnético (ecuación 1). Esto se llama el efecto Zeeman.
E = m2geμBB0 (ecuación 1)
donde ge es g-factor, que es 2.0023 para un electrón libre y un μB es el magneton de Bohr.
En un determinado campo magnético, B0, la diferencia de energía entre los dos ms Estados viene dada por la ecuación 2.
ΔE = E½ -E-½ = geμBB0 = hυ (ecuación 2)
Un electrón se mueve entre los dos Estados ms sobre la emisión o absorción de un fotón con energía ΔE = hυ. ecuación 2 se aplica a una sola, electrones libres. Sin embargo, similar a la forma en que el cambio químico en 1H NMR depende el entorno químico del átomo H, electrones dentro de moléculas no se comportan de la misma manera que un electrón aislado. El gradiente de campo eléctrico de la molécula influirá en el campo magnético efectivo, dado por la ecuación 3.
Beff = B0(1 -σ) (ecuación 3)
donde σ es el efecto de los campos locales, que puede ser un valor positivo o negativo.
Enchufar la ecuación 3 en la ecuación 2, podemos definir g-factor para un electrón desapareado en una molécula dada como g = ge(1 - σ), que simplifica la ecuación general para:
hυ = gμBB0 (ecuación 4)
Durante el experimento EPR, la frecuencia se barre, más comúnmente en la región de microondas oscilan entre 9.000-10.000 MHz, y el campo se mantiene constante en aproximadamente 0.35 T, lo que permite el cálculo de g. Determinación experimental de g mediante EPR proporciona información sobre la estructura electrónica de una molécula paramagnética.
Figura 1. Partir de Estados de momento magnético, ms, en presencia de un campo magnético.
Aplicación de EPR:
En este experimento, utilizamos espectroscopia EPR a investigar la química de los antioxidantes. O2, que consta de ~ 21% de la atmósfera terrestre, es un oxidante fuerte. A pesar de su potencial para actuar como un oxidante, O2 es un estado triplete y así sólo reacciona muy lentamente con las moléculas orgánicas más. Una importante, aunque muchas veces indeseada, reacción mediada por el O2 es autoxidación. En química de la autoxidación, O2 inicia procesos de la cadena radical, que pueden consumir rápidamente las moléculas orgánicas. La figura 2 ilustra una autoxidación común, en la que aldehídos se oxidan a ácidos carboxílicos.
Prevención de la autoxidación química es importante para evitar la descomposición de muchos materiales orgánicos comunes, tales como plásticos, y un campo grande ha desarrollado alrededor de identificación eficaces antioxidantes para inhibir la autoxidación. Un mecanismo por que antioxidantes puede funcionar es por reacción con los radicales intermedios para inhibir los procesos de la cadena radical. Porque especies radicales han desapareado vueltas, EPR es una herramienta valiosa para la comprensión de la química de los antioxidantes. En este experimento, utilizamos espectroscopia EPR a explorar el papel de BHT como antioxidante en la autoxidación de Aldehídos alifáticos.
Figura 2. Autoxidación de aldehído procede vía un mecanismo de cadena radical.
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Procedure
1. autoxidación de butiraldehído
- Preparar una solución de butiraldehído (100 mg) y CoCl2·6H2O (1 mg) en 1, 2-dicloroetano (DCE) (4 mL) en un vial de centelleo de 20 mL. Agregar una barra de agitación magnética y coloque el frasco con un septo de goma.
- Coloque el cilindro de una jeringa de plástico de 1 mL en un pedazo corto de tubo de goma. Inserte el tubo de goma de un globo de látex y asegure el globo en el tubo con una goma elástica y cinta aislante. Inflar un globo de látex con O2.
- Inserte la aguja del globo de O2 en el frasco de reacción. Inserte una segunda aguja en el tabique y purgar el espacio de cabeza de la vasija de reacción con O2.
- Usando una placa de agitación, agregue la reacción a temperatura ambiente durante 4 h en una atmósfera de O2 .
- Concentrar la mezcla de reacción utilizando un evaporador rotatorio y un espectro de 1H NMR del residuo aceitoso resultante en CDCl3.
2. uso de BHT como antioxidante para la autoxidación de butiraldehído
Configurar dos frascos como se describe a continuación. Uno será utilizado para analizar la distribución del producto y uno se utilizará en el paso 3 para espectroscopia EPR.
- Preparar una solución de butiraldehído (100 mg) y CoCl2·6H2O (1 mg) de DCE (4 mL) en un vial de centelleo de 20 mL. Añadir BHT (10 mg) a la solución. Agregar una barra de agitación magnética y coloque el frasco con un septo de goma.
- Coloque el cilindro de una jeringa de plástico de 1 mL en un pedazo corto de tubo de goma. Inserte el tubo de goma de un globo de látex y asegure el globo en el tubo con una goma elástica y cinta aislante. Inflar un globo de látex con O2.
- Inserte la aguja del globo de O2 en el frasco de reacción. Inserte una segunda aguja en el tabique y purgar el espacio de cabeza de la vasija de reacción con O2.
- Usando una placa de agitación, agregue la reacción a temperatura ambiente durante 4 h en una atmósfera de O2 .
- Concentrar la mezcla de reacción utilizando un evaporador rotatorio y un espectro de 1H NMR del residuo aceitoso resultante en CDCl3.
3. medición de espectros EPR
- Encienda el espectrómetro EPR y permita que el instrumento caliente durante 30 minutos Set up una adquisición de EPR con los siguientes parámetros: campo 3.345 G, 100 G, barrido tiempo 55 s, de la anchura del barrido de tiempo constante 10 ms, MW potencia 5 mW, modulación de 100 kHz , modulación de amplitud y 1 G.
- Medir un espectro EPR de un tubo vacío de EPR para asegurarse de que no hay ninguna señal de fondo del tubo EPR o el resonador del instrumento.
- Preparar una solución de BHT en DCE en un N2-llena la caja de guante. Transferir 0,5 mL de la solución a un tubo EPR y medir el espectro EPR de BHT utilizando los parámetros de adquisición establecidos en el paso 3.1.
- Transferir 0,5 mL de la solución de reacción añadió BHT del paso 2 en un tubo EPR y adquirir y espectro EPR con los parámetros de adquisición establecidos en el paso 3.1.
Resonancia paramagnética electrónica, o EPR, la espectroscopia es una técnica importante para la caracterización de compuestos paramagnéticos, como compuestos con electrones no apareados.
EPR tiene muchas aplicaciones importantes en el estudio de los radicales orgánicos, complejos inorgánicos paramagnéticas y química bioinorganic.
Este video se ilustran los principios básicos detrás de resonancia paramagnética electrónica, el uso de EPR para estudiar dibutylhydroxy tolueno y su comportamiento antioxidante en la autoxidación de Aldehídos alifáticos y discutir algunas aplicaciones.
EPR es una técnica espectroscópica que se utiliza para estudiar las moléculas con electrones no apareados mediante la medición de las transiciones del spin del electrón.
Un electrón tiene un número del quántum de la vuelta de 1/2, que tiene componentes magnéticos, de cualquiera de los dos + 1/2 o -1/2.
En la ausencia de un campo magnético, la energía de los Estados de dos spin es equivalente. Sin embargo, en presencia de un campo magnético aplicado, el momento magnético del electrón se alinea con el campo magnético aplicado y, los Estados de spin se convierten no degenerado.
La diferencia de energía entre el estado de spin es dependiente sobre el campo magnético. Esto se llama el efecto Zeeman.
En un campo magnético dado, la diferencia de energía entre los Estados de dos spin está dada por ΔE.
Un electrón se mueve entre los Estados de dos spin sobre la emisión o absorción de un fotón con energía ΔE. Sin embargo, esta ecuación se aplica a una sola, electrones libres y no tiene en cuenta el hecho de que los electrones dentro de moléculas no se comportan de la misma manera como lo hace un electrón aislado.
El gradiente de campo eléctrico de la molécula influirá en el campo magnético efectivo, que, si conectado a esta ecuación define la g-factor para un electrón desapareado en una molécula dada en esta simplificada ecuación general.
Durante un experimento EPR, la frecuencia se barre, mientras el campo se mantiene constante, lo que permite el cálculo del factor g proporcionar información sobre la estructura electrónica de una molécula paramagnética.
En este experimento, espectroscopia del EPR se utiliza para el estudio de los antioxidantes. Oxígeno, que es un oxidante fuerte, es un estado triplete y así reacciona muy lentamente con las moléculas orgánicas más. Una importante, aunque a menudo indeseado, reacción mediada por oxígeno es autoxidación, donde O2 inicia procesos de la cadena radical.
Esto puede conducir a un consumo rápido de moléculas orgánicas y la descomposición de muchos materiales orgánicos, tales como plásticos. Por lo tanto, identificar antioxidantes eficaces para inhibir la autoxidación se ha convertido en un campo de investigación importante.
Un mecanismo por que antioxidantes puede funcionar es por reacción con los radicales intermedios para inhibir los procesos de la cadena radical. Porque especies radicales han desapareado vueltas, EPR es una herramienta valiosa para la comprensión de la química de los antioxidantes.
Ahora veamos cómo se utiliza la espectroscopia EPR para explorar el papel de dibutylhydroxy de tolueno, como antioxidante en la autoxidación de Aldehídos alifáticos.
Vamos a empezar con la autoxidación de butiraldehído en ausencia de antioxidante. Usando un vial de centelleo de 20 mL, se disuelven 125 mL de butiraldehído y 1 mg de CoCl2·6H2O en 4 mL de 1, 2-dicloroetano. Agregar una barra de agitación magnética y sellar el frasco con un septo de goma.
Coloque el cilindro de una jeringa de plástico de 1 mL en un pedazo corto de tubo de goma. Inserte el tubo de goma de un globo de látex y asegúrelo con una banda de goma y cinta aislante.
Inserte la aguja del globo llenada de oxígeno en el frasco. Inserte una segunda aguja a través del tabique y purgar la solución con el gas oxígeno durante cinco minutos. Una vez purgado, retirar la segunda aguja y coloque el vial sobre una placa de agitación, removiendo la reacción durante 4 horas a temperatura ambiente.
Una vez terminada la reacción, concentrar la mezcla utilizando un evaporador rotatorio. A continuación, secar el residuo en una línea de alto vacío para 1 hora, y adquirir un 1H-NMR en cloroformo deuterado.
Ahora vamos a comparar la reacción si lleva a cabo en presencia de tolueno de dibutylhydroxy antioxidante o BHT. Preparar dos muestras idénticas, por disolución de CoCl2·6H2O y butiraldehído en 1, 2-dicloroetano usando un vial de centelleo de 20 mL. Añadir el antioxidante a cada solución, seguida de una barra de agitación y ajuste cada frasco con un septo de goma.
Similar a la reacción anterior, uso un globo para purgar la solución en los frascos con oxígeno, agitar las reacciones en atmósfera de oxígeno durante 4 horas a temperatura ambiente. Después de 4 horas, se concentran una de las mezclas utilizando un rotavapor para 1H-NMR. Secar la muestra en alto vacío y utilizar este ejemplo para obtener un 1H-NMR. La otra reacción se utilizará para EPR.
Abra el espectrómetro EPR y deje que el instrumento caliente durante 30 minutos. En el equipo, ajustar la cavidad vacía del instrumento EPR para asegurarse de que no son contaminantes en el instrumento.
Configurar una adquisición de EPR con los parámetros indicados en el texto. Medir un espectro EPR de un tubo vacío de EPR para asegurarse de que no hay ninguna señal de fondo del tubo EPR o el resonador del instrumento.
Luego, use BHT y preparar una solución de 1, 2-dicloroetano en una N2-lleno de guantera. Transferir 0,5 mL de la solución a un tubo de 2 mm EPR, tapado con un tapón de plástico tubo de EPR. Medir el espectro EPR de BHT utilizando los parámetros de adquisición establecidos previamente.
Ahora, uso el BHT con reacción y preparar una solución EPR siguiendo el mismo procedimiento en cuanto a la muestra de BHT. Adquirir un espectro EPR con los parámetros de adquisición establecidos previamente.
Ahora, vamos a comparar las reacciones con y sin el antioxidante BHT utilizando los datos de RMN y EPR.
La autoxidación de butiraldehído produce ácido butírico. El espectro de 1H-RMN Obtenido de la reacción muestra la falta de una resonancia C H aldehídica y la presencia de las resonancias de ácido butírico.
En contraste, la RMN Obtenido de la mezcla de reacción con agregado BHT muestra señales consistentes con butiraldehído, sin ácido butírico presente. De estos datos, se muestra que ha servido BHT como antioxidante en la autoxidación de aldehído.
El papel de BHT en la inhibición de la autoxidación del aldehído es iluminado por los espectros EPR obtenidos de BHT de BHT ha añadido a la reacción de la autoxidación de aldehído.
BHT es una molécula orgánica diamagnético, lo que significa que hay no hay electrones no apareados. En consecuencia, el espectro EPR de BHT no muestra ninguna señal. Por el contrario, el espectro EPR de la reacción de la autoxidación en que se ha agregado BHT muestra un patrón fuerte con un alineado cuatro, consistente con un radical orgánico.
Este espectro se presenta porque el enlace O-H del BHT es débil. En presencia de radicales generados durante la autoxidación, la transferencia de hidrógeno desde BHT apaga el mecanismo de cadena radical y genera a un radical estable centrada en el oxígeno.
Espectroscopia de resonancia paramagnética del electrón es un método analítico, que es de uso frecuente en química orgánica e inorgánica para obtener información adicional, aparte de los métodos comunes tales como espectroscopia NMR o IR.
Por ejemplo, EPR puede utilizarse para el estudio de sistemas biológicos tales como el metabolismo de las cianobacterias. Las cianobacterias son suspendidos en una solución que contiene trityl radical y colocados en una sonda de imagen. La muestra es irradiada con luz y la concentración radical medido con respecto al tiempo.
Este estudio demostró que la concentración de trytil disminuido bajo la luz, pero se mantuvo constante en la oscuridad, demostrando que la actividad metabólica es dependiente de la luz.
Moléculas con electrones no apareados pueden ser difíciles de caracterizar con NMR solamente, así espectroscopia EPR se utiliza con frecuencia para analizar los radicales orgánicos en más detalle. Espectros EPR experimentales delinean el g-factor del electrón desapareado, proporcionando información sobre la estructura electrónica del centro paramagnético.
Además, los espines nucleares de los núcleos con el electrón desapareado, así como los núcleos vecinos, influyen en el momento magnético de un electrón, dando lugar a una división adicional de los Estados de spin y varias líneas en el espectro EPR. La resultante de la hiperfina y super-hiperfina acoplamiento proporciona más información acerca de la estructura electrónica de la molécula
Sólo ha visto la introducción de Zeus a espectroscopia de resonancia paramagnética de electrones. Ahora debe estar familiarizado con los principios de la EPR, autoxidación, una reacción de autoxidación y diversas aplicaciones de la espectroscopia EPR. ¡Como siempre, gracias por ver!
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Results
La autoxidación de butiraldehído produce ácido butírico. El espectro de 1H NMR de la reacción que se llevó a cabo en el paso 1 muestra la falta de una resonancia C H aldehídica y la presencia de las resonancias de ácido butírico. En contraste, la RMN obtenida de la mezcla de reacción del paso 2 (con agregado BHT) muestra señales consistentes con butiraldehído, sin ácido butírico presente. De estos datos, observamos que el butiraldehído ha servido como un antioxidante en la autoxidación de aldehído.
El papel de BHT en la inhibición de la autoxidación del aldehído es iluminado por los espectros EPR obtenidos de BHT de BHT ha añadido a la reacción de la autoxidación de aldehído. BHT es una molécula orgánica diamagnético, lo que significa que hay no hay electrones no apareados. En consecuencia, el espectro EPR de BHT no muestra ninguna señal. Por el contrario, el espectro EPR de la reacción de la autoxidación en que se ha agregado BHT muestra un patrón fuerte con un alineado cuatro, consistente con un radical orgánico. Este espectro se presenta porque el enlace O-H del BHT es débil y en presencia de radicales generados durante la autoxidación, transferencia de H-átomo de BHT apaga el mecanismo de cadena radical y genera a un radical estable centrada en O.
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Applications and Summary
En este experimento, hemos explorado el papel de los antioxidantes en la inhibición química de la autoxidación. Hemos explorado el mecanismo de inhibición usando la espectroscopia EPR, que reveló que sirve BHT como antioxidante reactivos intermedios radicales por transferencia de átomo de H que apaga.
Moléculas con electrones no apareados pueden ser difíciles de caracterizar por RMN y así espectroscopia EPR con frecuencia proporciona información útil y complementaria sobre estas especies. Espectroscopia EPR es una técnica experimental que se utiliza con frecuencia para detectar y caracterizar a los radicales orgánicos. Además, paramagnéticos complejos inorgánicos con frecuencia muestran espectros EPR pueden ser instructivos para la caracterización. Espectros EPR experimentales delinean el g-factor del electrón desapareado, que proporciona información sobre la estructura electrónica del centro paramagnético. Además, los espines nucleares de los núcleos con un electrón desapareado, así como núcleos vecinos también influyen en el momento magnético de un electrón, dando lugar a partir adicional de los Estados ms y varias líneas en el espectro EPR. La resultante de la hiperfina y super-hiperfina acoplamiento proporciona más información acerca de la estructura electrónica de la molécula.
Además de caracterizar abrir-cáscara especies orgánicas e inorgánicas, la exquisita sensibilidad de la espectroscopia EPR es crítica para aplicación a sistemas de bioinorganic, donde es baja la concentración de cofactores metálicos. Espectros EPR se utilizan rutinariamente en la química de bioinorganic proporcionar información directa sobre las estructuras y Estados de oxidación de los iones del metal en el corazón de las enzimas.
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