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전자 파라마그네틱 공명 (EPR) 분광법
 
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전자 파라마그네틱 공명 (EPR) 분광법

Overview

출처: 데이비드 C. 파워스, 타마라 엠 파워스, 텍사스 A&M

이 비디오에서는 전자 파라기 공명 (EPR)의 기본 원칙을 배우게됩니다. 우리는 EPR 분광법을 사용하여 dibutylhydroxy toluene (BHT)가 aliphatic aldehydes의 자동 xidation에서 항산화제로 어떻게 작용하는지 연구할 것입니다.

Principles

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EPR의 기본 사항:

EPR은 핵 자기 공명 (NMR) 분광기와 유사한 물리적 현상에 의존하는 분광 기술입니다. NMR은 핵 스핀 전환을 측정하는 반면, EPR은 전자 스핀 전환을 측정합니다. EPR은 주로 페어링되지 않은 전자를 가진 분자인 파라자성 분자를 연구하는 데 사용됩니다. 전자는 자기 구성 요소 m s = 1/2 및 m s = -1/2를 가지고 스핀 양자 번호, s = 1/2가 있음을 기억하십시오. 자기장이 없는 경우, 2ms 상태의 에너지는 동등하다. 그러나, 적용된 자기장(B0)의존재속에서 전자의 자기 모멘은 적용된 자기장에 정렬되고, 그 결과, ms 상태는 비퇴화(도1)가된다. ms 상태 간의 에너지 차이는 자기장의 강도에의존한다(수학식 1). 이를 지만 효과라고 합니다.

E = m2geμBB0     (방정식 1)

여기서 ge는 g-계수이며, 이는 자유 전자및 μB의 경우 2.0023이며 보르 자그톤이다.

주어진 자기장, B0에서,두 ms 상태 사이의 에너지 차이는 방정식 2에의해 주어진다.

ΔE = E1/2 — E-1/2 = ge μBB0 = hθ (방정식 2)

전자는 에너지 Δ E =hθ.방정식 2가 단일 자유 전자에 적용됩니다. 그러나, 1H NMR의 화학적 변화가 H 원자의 화학 환경에 의존하는 방식과 유사하게, 분자 내의 전자는 절연 전자와 동일한 방식으로 행동하지 않는다. 분자의 전기장 그라데이션은 방정식 3에의해 주어진 효과적인 자기장에 영향을 미칩니다.

Beff = B0(1   — σ) (방정식 3)

여기서 σ 양수 또는 음수 값이 될 수 있는 로컬 필드의 효과입니다.

방정식 3을 방정식 2에연결하면 지정된 분자에서 페어링되지 않은 전자에 대한 g-계수를 g = g e(1- σ)로 정의할 수 있어 전체 방정식을 단순화할 수 있습니다.

hθ = gμBB0(방정식 4)

EPR 실험 동안 주파수는 9,000-10,000 MHz에 이르는 마이크로파 영역에서 가장 일반적으로 휩쓸리며, 필드는 약 0.35 T로 일정하게 유지되어 g의 계산을 허용합니다. EPR을 사용하여 g를 실험적으로 결정하는 것은 파라자성 분자의 전자 구조에 대한 정보를 제공한다.

Figure 1
그림 1. 자기장의 존재에서 자기 순간 상태, ms의분할.

EPR 적용:

이 실험에서는 EPR 분광법을 사용하여 항산화제의 화학작용을 조사할 것입니다. 지구 대기의 ~ 21%를 포함하는 O2는강한 산화제입니다. 산화제역할을 할 수 있는 잠재력에도 불구하고 O2는 지상 상태 인 삼중이며 따라서 대부분의 유기 분자와 매우 느리게 반응합니다. 한 가지 중요한 것은 종종 바람직하지않지만 O2에 의해 매개되는 반응은 자동 화입니다. 자가 작용화학에서O2는 유기 분자를 빠르게 소비할 수 있는 급진적인 사슬 프로세스를 개시합니다. 도 2는 알데히드가 카복실산으로 산화되는 일반적인 자동 축화를 보여 줍니다.

자동 착화 화학을 방지하는 것은 플라스틱과 같은 많은 일반적인 유기 물질의 분해를 방지하는 것이 중요하며, 큰 분야는 자가 화를 억제하기 위해 효과적인 항산화제를 식별하는 주위에 개발되었습니다. 항산화제가 기능할 수 있는 한 가지 메커니즘은 급진적인 사슬 공정을 억제하기 위해 급진적인 중간제와 반응하는 것입니다. 급진적인 종은 짝을 이루는 스핀을 가지고 있기 때문에 EPR은 항산화제의 화학작용을 이해하는 데 중요한 도구입니다. 이 실험에서는 EPR 분광법을 사용하여 ALIphatic aldehydes의 자가 식에서 항산화제로서 BHT의 역할을 탐구할 것입니다.

Figure 2
그림 2. 알데히드 자동 축 은 급진적인 사슬 메커니즘을 통해 진행 됩니다.

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Procedure

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1. 부티랄데히드의 자동축화

  1. 부티랄데히드(100 mg)와 CoCl2·6H2O(1 mg)의 용액을 20mL 신자극바이알에서 1,2-디클로로에탄(DCE) (4mL)에서 준비한다. 마그네틱 스터디 바를 추가하고 고무 중격에 바이알을 맞춥시다.
  2. 고무 튜브의 짧은 조각에 1 mL 플라스틱 주사기의 배럴을 부착합니다. 고무 튜브를 라텍스 풍선에 삽입하고 고무 밴드와 전기 테이프로 풍선을 튜브에 고정시하십시오. O2로라텍스 풍선을 팽창시다.
  3. 반응 바이알에 O2 풍선의 바늘을 삽입합니다. 중격에 두 번째 바늘을 삽입하고 O2로반응 용기의 헤드 스페이스를 제거한다.
  4. 교반판을 사용하여O2 대기 하에서 4시간 동안 실온에서 반응을 저어줍니다.
  5. 회전 증발기를 사용하여 반응 혼합물을 농축하고 CDCl3에서생성된 유성 잔류물의 1HNMR 스펙트럼을 취한다.

2. 부티랄데히드의 자동 축화를 위한 항산화제로 BHT를 사용

아래에 설명된 대로 두 개의 바이알을 설정합니다. 하나는 제품 분포를 분석하는 데 사용되며 EPR 분광법에 대한 3 단계에서 사용할 것입니다.

  1. 20mL 신자극성 유리병에 부티랄데히드(100 mg)와 CoCl2·6H2O(1 mg)의 용액을 DCE(4mL)로 준비한다. 솔루션에 BHT(10 mg)를 추가합니다. 마그네틱 스터디 바를 추가하고 고무 중격에 바이알을 맞춥시다.
  2. 고무 튜브의 짧은 조각에 1 mL 플라스틱 주사기의 배럴을 부착합니다. 고무 튜브를 라텍스 풍선에 삽입하고 고무 밴드와 전기 테이프로 풍선을 튜브에 고정시하십시오. O2로라텍스 풍선을 팽창시다.
  3. 반응 바이알에 O2 풍선의 바늘을 삽입합니다. 중격에 두 번째 바늘을 삽입하고 O2로반응 용기의 헤드 스페이스를 제거한다.
  4. 교반판을 사용하여O2 대기 하에서 4시간 동안 실온에서 반응을 저어줍니다.
  5. 회전 증발기를 사용하여 반응 혼합물을 농축하고 CDCl3에서생성된 유성 잔류물의 1HNMR 스펙트럼을 취한다.

3. EPR 스펙트럼 측정

  1. EPR 분광기를 켜고 악기를 30분 동안 따뜻하게 해보세요. 센터 필드 3,345 G, 스윕 폭 100 G, 스윕 시간 55 s, 시간 상수 10 ms, MW 파워 5 mW, 변조 100 kHz 및 변조 진폭 1 G : 다음과 같은 매개 변수로 EPR 인수를 설정합니다.
  2. 빈 EPR 튜브의 EPR 스펙트럼을 측정하여 EPR 튜브 또는 계측기 공진기의 배경 신호가 없는지 확인합니다.
  3. N2-채워진장갑 상자에 DCE에서 BHT의 솔루션을 준비합니다. 솔루션의 0.5mL을 EPR 튜브로 전송하고 3.1 단계에서 설정된 획득 매개 변수를 사용하여 BHT의 EPR 스펙트럼을 측정합니다.
  4. BHT 첨가 반응 용액의 0.5mL를 2단계에서 EPR 튜브로 전송하고 3.1단계에서 설정된 획득 파라미터를 사용하여 EPR 스펙트럼을 획득 및 EPR 스펙트럼을 획득한다.

전자 파라기 공명, 또는 EPR, 분광법은 결합되지 않은 전자를 가진 화합물과 같은 파라자기 화합물의 특성화를 위한 중요한 기술입니다.

EPR은 유기 라디칼, 파라자성 무기 복합체 및 생물 무기 화학 연구에 많은 중요한 응용 프로그램을 가지고 있습니다.

이 비디오는 전자 파라마그네틱 공명뒤에 기본 원리를 설명합니다, dibutylhydroxy toluene을 연구하기 위하여 EPR의 사용 및 알리파성 알데히드의 자동 xidation에 있는 그것의 항 산화 거위를 공부하고, 몇몇 응용사항에 토론합니다.

EPR은 전자 스핀 전이를 측정하여 결합되지 않은 전자로 분자를 연구하는 데 사용되는 분광 기술입니다.

전자는 1/2의 스핀 양자 수를 가지며, 자기 구성 요소는 +1/2 또는 -1/2입니다.

자기장이 없는 경우, 두 스핀 상태의 에너지는 동일하다. 그러나, 적용된 자기장의 존재에서, 전자의 자기 모멘은 적용된 자기장과 일치하고, 스핀 상태는 비퇴화된다.

스핀 상태 간의 에너지 차이는 자기장의 강도에 따라 달라집니다. 이를 지만 효과라고 합니다.

주어진 자기장에서, 두 스핀 상태 사이의 에너지 차이는 ΔE에 의해 주어진다.

전자는 에너지 ΔE를 가진 광자의 방출 또는 흡수시 두 스핀 상태 사이를 이동합니다. 그러나,이 방정식은 단일 자유 전자에 적용되며 분자 내의 전자가 고립 된 전자와 동일한 방식으로 행동하지 않는다는 사실을 고려하지 않습니다.

분자의 전기장 그라데이션은 효과적인 자기장에 영향을 미치며, 이 방정식에 연결하면 이 단순화된 전체 방정식에서 지정된 분자에서 페어링되지 않은 전자의 g-계수를 정의합니다.

EPR 실험 동안, 주파수는 휩쓸리며, 필드는 일정하게 유지되어 파라자성 분자의 전자 구조에 대한 정보를 제공하는 g-factor의 계산을 허용합니다.

이 실험에서, EPR 분광법은 산화제를 연구하는 데 사용됩니다. 강한 산화제인 산소는 지상 상태 삼중이며 따라서 대부분의 유기 분자와 매우 느리게 반응합니다. 한 가지 중요한 것은, 종종 바람직하지 않지만, 산소에 의해 매개되는 반응은 O2가 급진적 인 연쇄 프로세스를 시작하는 자동 화입니다.

이것은 유기 분자의 빠른 소비와 플라스틱과 같은 많은 유기 물질의 분해로 이어질 수 있습니다. 따라서, 자동 화를 억제하는 효과적인 항산화제를 식별하는 것은 중요한 연구 분야가 되었다.

항산화제가 기능할 수 있는 한 가지 메커니즘은 급진적인 사슬 공정을 억제하기 위해 급진적인 중간제와 반응하는 것입니다. 급진적인 종은 짝을 이루는 스핀을 가지고 있기 때문에 EPR은 항산화제의 화학작용을 이해하는 데 중요한 도구입니다.

이제 EPR 분광법은 알리파스틱 알데히드의 자동 xidation에서 항산화제로서 디부틸하이드록시 톨루엔의 역할을 탐구하는 데 어떻게 사용되는지 살펴 봅시다.

항산화물질이 없는 부티랄데히드의 자가화부터 시작해 봅시다. 20mL 신발성 바이알을 사용하여 125mL의 부티랄데히드와 1 mg의 CoCl2·6H2O를 4mL에서 1,2-디클로로에탄으로 용해한다. 마그네틱 스터디 바를 추가하고 고무 중격으로 유리병을 밀봉합니다.

고무 튜브의 짧은 조각에 1 mL 플라스틱 주사기의 배럴을 부착합니다. 고무 튜브를 라텍스 풍선에 삽입하고 고무 밴드와 전기 테이프로 고정하십시오. 그런 다음 산소 가스로 풍선을 팽창시다.

유리병에 산소 가우룬 풍선의 바늘을 삽입합니다. 중격을 통해 두 번째 바늘을 삽입하고 산소 가스로 용액을 5 분 동안 제거합니다. 일단 제거되면 두 번째 바늘을 철회하고 유리병을 교반 판에 놓고 실온에서 4 시간 동안 반응을 저어줍니다.

반응이 끝나면 회전 증발기로 혼합물을 농축한다. 이어서, 고진공 선에서 잔류물을 1시간 동안건조시키고, 중음엽소형태로 1H-NMR을 획득한다.

이제 항산화 디부틸하이드록시 톨루엔 또는 BHT의 존재에서 수행되는 경우 반응을 비교해 봅시다. 20mL 신경환 유리병을 사용하여 CoCl2·6H2O 및 부티랄데히드를 1,2-디클로로에탄으로 용해시켜 두 개의 동일한 샘플을 준비한다. 각 용액에 항산화제를 넣고 저어줄에 넣고 각 유리병에 고무 중격을 맞춥시다.

이전 반응과 마찬가지로 풍선을 사용하여 산소로 바이알의 용액을 제거한 다음 실온에서 4 시간 동안 산소 대기 하에서 반응을 저어줍니다. 4시간 후, 1H-NMR을 위한 회전 증발기를 사용하여 혼합물 중 하나를 농축한다. 고진공시 시료를 건조시키고 이 샘플을 사용하여 1H-NMR을 얻습니다. 다른 반응은 EPR에 사용됩니다.

EPR 분광기를 켜고 악기를 30분 동안 따뜻하게 해보세요. 컴퓨터에서 EPR 기기의 빈 캐비티를 조정하여 기기에 오염 물질이 없는지 확인합니다.

텍스트에 명시된 매개 변수로 EPR 인수를 설정합니다. 빈 EPR 튜브의 EPR 스펙트럼을 측정하여 EPR 튜브 또는 계측기 공진기의 배경 신호가 없는지 확인합니다.

그런 다음 BHT를 사용하고 N2-채워진장갑상자에 1,2-디클로로에탄으로 용액을 준비합니다. 용액의 0.5mL를 2mm EPR 튜브로 옮기고 플라스틱 EPR 튜브 캡으로 캡핑합니다. 이전에 설정된 획득 매개 변수를 사용하여 BHT의 EPR 스펙트럼을 측정합니다.

이제, 반응을 포함하는 BHT를 사용하고 BHT 샘플과 동일한 절차에 따라 EPR 솔루션을 준비한다. 이전에 설정된 획득 매개 변수를 사용하여 EPR 스펙트럼을 획득합니다.

이제 NMR 및 EPR 데이터를 사용하여 BHT 항산화제와 반응을 비교해 보겠습니다.

부티랄데히드의 자동 축화는 부티르산을 부여합니다. 반응으로부터 얻은 1H-NMR 스펙트럼은 알데히딕 C-H 공명의 부족과 부티릭 산이 예상되는 공명의 존재를 나타낸다.

대조적으로, 추가된 BHT를 가진 반응 혼합물에서 얻은 NMR은 부티랄데히드와 일치하는 신호를 표시하고, 부티리산이 존재하지 않는다. 이러한 데이터에서 BHT는 알데히드 자가식에서 항산화제 역할을 한 것으로 나타났다.

알데히드 자가화를 억제하는 BHT의 역할은 BHT및 BHT의 EPR 스펙트럼에 의해 발광되어 알데히드 자가시화 반응에 첨가된다.

BHT는 쌍이 없는 전자가 없다는 것을 의미하는 다이르마성 유기 분자입니다. 이에 따라 BHT의 EPR 스펙트럼은 신호를 표시하지 않습니다. 대조적으로, BHT가 첨가된 자동 반응의 EPR 스펙트럼은 유기 라디칼과 일치하는 강력한 4줄 패턴을 표시합니다.

이 스펙트럼은 BHT의 O-H 결합이 약하기 때문에 발생합니다. 자가 시 생성된 라디칼의 존재에서 BHT로부터의 수소 전달은 라디칼 사슬 메커니즘을 담금질하고 안정적인 산소 중심의 라디칼을 생성한다.

전자 파라기 공명 분광기는 NMR 또는 IR 분광법과 같은 일반적인 방법을 제외하고 추가 정보를 얻기 위해 유기 및 무기 화학에 자주 사용되는 분석 방법입니다.

예를 들어, EPR은 시아노박테리아의 대사와 같은 생물학적 시스템을 연구하는 데 사용될 수 있다. 시아노박테리아는 트라이티를 함유한 용액에서 일시 중단되고 이미징 프로브에 배치됩니다. 샘플은 시간에 대하여 측정된 빛 및 급진적인 농도로 조사됩니다.

이 연구는 시도균 농도빛 아래 감소, 하지만 어둠 속에서 일정 한 남아 보여 주었다, 신진 대사 활동이 빛 에 따라 달라 집니다 보여주는.

페어링되지 않은 전자를 가진 분자는 NMR만으로 특성화하는 것이 어려울 수 있으므로 EPR 분광법은 유기 라디칼을 더 자세히 분석하는 데 자주 사용됩니다. 실험EPR 스펙트럼은 페어링되지 않은 전자의 g-계수를 묘사하여 파라자성 센터의 전자 구조에 대한 정보를 제공합니다.

더욱이, 결합되지 않은 전자와 핵의 핵 스핀뿐만 아니라, 인접한 핵은 전자의 자기 순간에 영향을 미치며, EPR 스펙트럼에서 스핀 상태와 여러 라인의 추가 분할을 초래한다. 생성된 초미세 및 초과미세 커플링은 분자의 전자 구조에 대한 추가 정보를 제공합니다.

당신은 전자 파라기 공명 분광기에 JoVE의 소개를 보았다. 이제 EPR, 자동 설정, 자동 반응 및 EPR 분광법의 다양한 응용 분야의 원리에 익숙해져야 합니다. 언제나처럼, 시청주셔서 감사합니다!

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Results

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부티랄데히드의 자동 축화는 부티르산을 부여합니다. 1단계에서 수행된 반응으로부터 얻은 1HNMR 스펙트럼은 알데히딕 C-H 공진의 부재와 부티릭산이 예상되는 공명의 존재를 나타낸다. 대조적으로, 2단계(추가 된 BHT)에서 반응 혼합물로부터 얻은 NMR은 부티랄데히드와 일치하는 신호를 표시하며, 부티리산이 존재하지 않는다. 이러한 데이터에서, 우리는 부디랄데히드가 알데히드 자동 xidation에서 항산화제 역할을한 것을 관찰합니다.

알데히드 자가화를 억제하는 BHT의 역할은 BHT및 BHT의 EPR 스펙트럼에 의해 발광되어 알데히드 자가시화 반응에 첨가된다. BHT는 쌍이 없는 전자가 없다는 것을 의미하는 다이르마성 유기 분자입니다. 이에 따라 BHT의 EPR 스펙트럼은 신호를 표시하지 않습니다. 대조적으로, BHT가 첨가된 자동 반응의 EPR 스펙트럼은 유기 라디칼과 일치하는 강력한 4줄 패턴을 표시합니다. 이러한 스펙트럼은 BHT의 O-H 결합이 약하고 자가시화 중에 생성된 라디칼의 존재가 있기 때문에 발생하며, BHT로부터의 H-원자 전달은 라디칼 사슬 메커니즘을 담금질하고 안정적인 O 중심의 라디칼을 생성한다.

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Applications and Summary

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이 실험에서, 우리는 자가 작용 화학을 억제하는 항산화제의 역할을 탐구했습니다. 우리는 EPR 분광법을 사용하여 억제의 메커니즘을 조사, 이는 BHTH-원자 전송을 통해 반응 성 급진적 인 중간체를 담금질하여 항산화 역할을 밝혀.

결합되지 않은 전자를 가진 분자는 NMR에 의해 특성화하는 것이 어려울 수 있으므로 EPR 분광법은 종종 이러한 종에 관한 유용하고 상호 보완적인 정보를 제공합니다. EPR 분광법은 유기 라디칼을 감지하고 특성화하는 데 자주 사용되는 실험 기술입니다. 또한, 파라자성 무기 단지는 또한 특성화에 유익할 수 있는 EPR 스펙트럼을 자주 표시합니다. 실험EPR 스펙트럼은 파라자성 센터의 전자 구조에 대한 정보를 제공하는 페어링되지 않은 전자의 g-계수를 묘사합니다. 또한, 결합되지 않은 전자뿐만 아니라 인접한 핵을 가진 핵의 핵 스핀은 또한 전자의 자기 순간에 영향을 미치며, EPR 스펙트럼에서 ms 상태 및 다중 라인의 추가 분할을 초래한다. 생성된 초미세 및 초과미세 커플링은 분자의 전자 구조에 대한 추가 정보를 제공한다.

개방 쉘 유기 및 무기 종을 특성화하는 것 외에도 EPR 분광법의 절묘한 감도는 금속 보조인의 농도가 낮은 생체 무기 시스템에 적용하는 데 중요합니다. EPR 스펙트럼은 효소의 중심에 있는 금속 이온의 구조 및 산화 상태에 관하여 직접적인 정보를 제공하기 위하여 생물무기 화학에 일상적으로 이용됩니다.

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Transcript

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