Spectroscopie par résonance paramagnétique électronique (RPE)

La spectroscopie par résonance paramagnétique électronique, ou EPR, est une technique importante pour la caractérisation des composés paramagnétiques, tels que les composés avec des électrons non appariés.

L’EPR a de nombreuses applications importantes dans l’étude des radicaux organiques, des complexes inorganiques paramagnétiques et de la chimie bioinorganique.

Cette vidéo illustrera les principes de base de la résonance paramagnétique électronique, l’utilisation de l’EPR pour étudier le dibutylhydroxy toluène et son comportement antioxydant dans l’auto-oxydation des aldéhydes aliphatiques, et discutera de quelques applications.

L’EPR est une technique spectroscopique utilisée pour étudier les molécules avec des électrons non appariés en mesurant les transitions de spin des électrons.

Un électron a un nombre quantique de spin de 1/2, qui a des composantes magnétiques de +1/2 ou -1/2.

En l’absence de champ magnétique, l’énergie des deux états de spin est équivalente. Cependant, en présence d’un champ magnétique appliqué, le moment magnétique de l’électron s’aligne avec le champ magnétique appliqué et les états de spin deviennent non dégénérés.

La différence d’énergie entre l’état de spin dépend de l’intensité du champ magnétique. C’est ce qu’on appelle l’effet Zeeman.

À un champ magnétique donné, la différence d’énergie entre les deux états de spin est donnée par ?E.

Un électron se déplace entre les deux états de spin lors de l’émission ou de l’absorption d’un photon d’énergie ?E. Cependant, cette équation s’applique à un seul électron libre, et ne tient pas compte du fait que les électrons à l’intérieur des molécules ne se comportent pas de la même manière qu’un électron isolé.

Le gradient de champ électrique de la molécule influencera le champ magnétique effectif, qui, s’il est intégré à cette équation, définit le facteur g pour un électron non apparié dans une molécule donnée dans cette équation globale simplifiée.

Au cours d’une expérience EPR, la fréquence est balayée, tandis que le champ est maintenu constant, ce qui permet de calculer le facteur g fournissant des informations sur la structure électronique d’une molécule paramagnétique.

Dans cette expérience, la spectroscopie EPR est utilisée pour étudier les antioxydants. L’oxygène, qui est un oxydant puissant, est un triplet à l’état fondamental et réagit donc assez lentement avec la plupart des molécules organiques. Une réaction importante, bien que souvent indésirable, médiée par l’oxygène est l’auto-oxydation, où l’O2 initie des processus en chaîne radicalaire.

Cela peut entraîner une consommation rapide de molécules organiques et la décomposition de nombreuses matières organiques, telles que les plastiques. Par conséquent, l’identification d’antioxydants efficaces pour inhiber l’auto-oxydation est devenue un domaine de recherche important.

L’un des mécanismes par lesquels les antioxydants peuvent fonctionner consiste à réagir avec les intermédiaires radicaux pour inhiber les processus en chaîne radicalaires. Parce que les espèces radicalaires ont des spins non appariés, l’EPR est un outil précieux pour comprendre la chimie des antioxydants.

Voyons maintenant comment la spectroscopie EPR est utilisée pour explorer le rôle du dibutylhydroxy toluène, en tant qu’antioxydant dans l’auto-oxydation des aldéhydes aliphatiques.

Commençons par l’auto-oxydation du butyraldéhyde en l’absence d’antioxydant. À l’aide d’un flacon à scintillation de 20 mL, dissoudre 125 mL de butyraldéhyde et 1 mg de CoCl2-6H2O ?dans 4 mL de 1,2-dichloroéthane. Ajoutez un barreau d’agitation magnétique et scellez le flacon avec un septum en caoutchouc.

Fixez le baril d’une seringue en plastique de 1 ml à un petit morceau de tube en caoutchouc. Insérez le tube en caoutchouc dans un ballon en latex et fixez-le avec un élastique et du ruban isolant. Gonflez ensuite le ballon avec de l’oxygène gazeux.

Insérez l’aiguille du ballon rempli d’oxygène dans le flacon. Insérez une deuxième aiguille dans le septum et purgez la solution avec de l’oxygène gazeux pendant cinq minutes. Une fois purgé, retirez la deuxième aiguille et placez le flacon sur une plaque d’agitation, en remuant la réaction pendant 4 heures à température ambiante.

Lorsque la réaction est terminée, concentrez le mélange à l’aide d’un évaporateur rotatif. Ensuite, séchez le résidu sur une ligne à vide poussé pendant 1 heure et acquérez une RMN-1H dans du chloroforme deutéré.

Comparons maintenant la réaction si elle est effectuée en présence de l’antioxydant dibutylhydroxy toluène, ou BHT. Préparez deux échantillons identiques, en dissolvant le CoCl2-6H2O et le butyraldéhyde dans du 1,2-dichloroéthane à l’aide d’un flacon à scintillation de 20 ml. Ajoutez l’antioxydant à chaque solution, suivi d’un agitateur, et ajustez chaque flacon avec un septum en caoutchouc.

Semblable à la réaction précédente, utilisez un ballonnet pour purger la solution dans les flacons avec de l’oxygène, puis agitez les réactions sous atmosphère d’oxygène pendant 4 heures à température ambiante. Après 4 heures, concentrez l’un des mélanges à l’aide d’un évaporateur rotatif pour une RMN-1H. Séchez l’échantillon sous vide poussé et utilisez cet échantillon pour obtenir une RMN-1H. L’autre réaction sera utilisée pour l’EPR.

Allumez le spectromètre EPR et laissez l’instrument se réchauffer pendant 30 min. Sur l’ordinateur, réglez la cavité vide de l’instrument EPR pour vous assurer qu’il n’y a pas de contaminants dans l’instrument.

Configurez une acquisition EPR avec les paramètres indiqués dans le texte. Mesurez le spectre EPR d’un tube EPR vide pour vous assurer qu’il n’y a pas de signaux de fond provenant du tube EPR ou du résonateur de l’instrument.

Ensuite, utilisez du BHT et préparez une solution dans du 1,2-dichloroéthane dans une boîte à gants remplie de N2. Transférez 0,5 ml de la solution dans un tube EPR de 2 mm, en le bouchant avec un capuchon en plastique pour tube EPR. Mesurez le spectre EPR du BHT à l’aide des paramètres d’acquisition définis précédemment.

Maintenant, utilisez la réaction contenant du BHT et préparez une solution EPR en suivant la même procédure que pour l’échantillon de BHT. Acquérir un spectre EPR en utilisant les paramètres d’acquisition définis précédemment.

Comparons maintenant les réactions avec et sans l’antioxydant BHT à l’aide des données RMN et EPR.

L’auto-oxydation du butyraldéhyde fournit de l’acide butyrique. Le spectre RMN-1H obtenu à partir de la réaction montre l’absence de résonance aldéhydique C-H et la présence des résonances attendues de l’acide butyrique.

En revanche, la RMN obtenue à partir du mélange réactionnel avec du BHT ajouté affiche des signaux compatibles avec le butyraldéhyde, sans acide butyrique. À partir de ces données, il est démontré que le BHT a servi d’antioxydant dans l’auto-oxydation des aldéhydes.

Le rôle du BHT dans l’inhibition de l’auto-oxydation des aldéhydes est mis en lumière par les spectres EPR obtenus du BHT et du BHT ajouté à la réaction d’auto-oxydation des aldéhydes.

Le BHT est une molécule organique diamagnétique, ce qui signifie qu’il n’y a pas d’électrons non appariés. En conséquence, le spectre EPR du BHT n’affiche aucun signal. En revanche, le spectre EPR de la réaction d’auto-oxydation dans laquelle le BHT a été ajouté présente un fort motif à quatre lignes, compatible avec un radical organique.

Ce spectre apparaît parce que la liaison O-H du BHT est faible. En présence de radicaux générés lors de l’auto-oxydation, le transfert d’hydrogène du BHT éteint le mécanisme de la chaîne de radicaux et génère un radical stable centré sur l’oxygène.

La spectroscopie par résonance paramagnétique électronique est une méthode analytique souvent utilisée en chimie organique et inorganique pour obtenir des informations supplémentaires, en plus des méthodes courantes telles que la RMN ou la spectroscopie IR.

Par exemple, l’EPR peut être utilisé pour étudier des systèmes biologiques tels que le métabolisme des cyanobactéries. Les cyanobactéries sont suspendues dans une solution contenant du radical trityle et placées dans une sonde d’imagerie. L’échantillon est irradié par la lumière et la concentration radicalaire est mesurée en fonction du temps.

Cette étude a montré que la concentration de trytil diminuait sous la lumière, mais restait constante dans l’obscurité, démontrant que l’activité métabolique dépend de la lumière.

Les molécules avec des électrons non appariés peuvent être difficiles à caractériser avec la RMN uniquement, c’est pourquoi la spectroscopie EPR est fréquemment utilisée pour analyser les radicaux organiques plus en détail. Les spectres EPR expérimentaux délimitent le facteur g de l’électron non apparié, fournissant des informations sur la structure électronique du centre paramagnétique.

De plus, les spins nucléaires des noyaux avec l’électron non apparié, ainsi que les noyaux voisins, influencent le moment magnétique d’un électron, donnant lieu à une division supplémentaire des états de spin et à de multiples raies dans le spectre EPR. Le couplage hyperfin et super-hyperfin qui en résulte fournit des informations supplémentaires sur la structure électronique de la molécule

Vous venez de regarder l’introduction de JoVE à la spectroscopie par résonance paramagnétique électronique. Vous devriez maintenant être familiarisé avec les principes de l’EPR, de l’auto-oxydation, d’une réaction d’auto-oxydation et des diverses applications de la spectroscopie EPR. Comme toujours, merci d’avoir regardé !