電子常磁性共鳴 (EPR) 分光法

ソース: David C. Powers、テキサス州力タマラ ・ m ・ A & M

このビデオでは、電子常磁性共鳴 (EPR) の背後にある基本原則を学びます。アルデヒド類の自動酸化で酸化防止剤としての dibutylhydroxy トルエン (BHT) の動作を勉強するのに EPR 分光法を使用します。

EPR の基礎:

EPR は核磁気共鳴 (NMR) 分光法として同じような物理的な現象に依存する分光法です。NMR は、核スピンの遷移を測定しながら、EPR は電子スピン遷移を測定します。EPR は、不対電子を持つ分子である常磁性分子の研究に主に使用されます。電子がスピン量子数、 sを持っていることを思い出して = ½ は磁性部品m_s m_sと 1/2 = = - ½。磁場のない場合は、2 つのm_s状態のエネルギーが等しい。ただし、磁気の応用分野 (B₀) の存在下で、電子の磁気モーメントは磁場の強さと、その結果、非縮み退になるm_sの状態 (図 1) を配置します。M_s状態間のエネルギー差は (式 1) の磁場の強さに依存します。これはゼーマン効果と呼ばれます。

E = m₂g_eμ_BB₀ (関係式 1)

ここでgはg_e -自由電子、 μ_Bの 2.0023 にある、係数はボーア磁子。

指定された磁場、 B₀、2 m_s状態間のエネルギー差は、式 2によって与えられます。

ΔE = E_½ -E_-½ g_eμ_BB₀を = = エネルギー (式 2)

Δ エネルギーを持つ光子の放出か吸収時に 2 つのm_s状態間の電子移動E = hυ。方程式 2シングル、自由電子に適用されます。ただし、 ¹H NMR の化学シフトは H 原子の化学的環境に依存している方法と同様に、分子内の電子動作しない孤立した電子と同じように。分子の電場勾配方程式 3によって与えられる実効磁界に影響します。

B_eff = B₀(1 -σ) (式 3)

ここで σ は正または負の値にすることができますローカル フィールドの効果です。

式 3を式 2に挿し込んで、 gを定義することができます- gとして与えられた分子の不対電子の係数 = g_e(1 - σ)、全体的な式を簡素化します。

エネルギー = gμ_BB₀ (式 4)

EPR 実験中、周波数スイープ、最も一般的 9,000-10,000 MHz に至るマイクロ波領域における、フィールドは一定に保たれるで約 0.35 T、 gの計算を可能にします。実験的 EPR を使用してgを決定する常磁性分子の電子構造に関する情報を提供します。

図 1.M_s磁場中での磁気モーメントの州の分割。

EPR のアプリケーション:

この実験では抗酸化物質の化学的性質を調査するのに EPR 分光法を使用します。O₂を占める ~ 地球の大気の 21% は強力な酸化剤。酸化剤として機能する、その可能性にもかかわらず O₂は、基底状態の三重項、従ってほとんどの有機分子と非常にゆっくりと反応だけ。重要な 1 つ、しかし多くの場合望ましくない O₂を介した反応は自動酸化です。自動酸化化学 O₂ラジカル連鎖のプロセスは、有機分子を急速に消費することができますを開始します。図 2は、一般的な自動酸化、アルデヒドがカルボン酸に酸化されてを示します。

プラスチックなど、多くの一般的な有機材料の分解を防ぐために重要な自動酸化化学の防止は、大規模なフィールドとして開発している自動酸化を抑制する効果的な抗酸化物質を識別します。どの抗酸化物質によって機能することができます。 1 つのメカニズムは、ラジカル連鎖プロセスを阻害する根本的な中間体と反応しては。ラジカル種がスピン対になっていない、ために、EPR は抗酸化物質の化学を理解するための貴重なツールです。この実験では、脂肪族アルデヒドの自動酸化で酸化防止剤として BHT の役割を探検するのに EPR 分光法を使用します。

図 2 。アルデヒドの自動酸化はラジカル連鎖のメカニズムを介して行われます。

1. ブチルアルデヒドの酸化安定性評価

1. 準備ソリューション ブチルアルデヒド (100 mg) と CoCl₂·6H₂O の (1 mg) 1, 2-ジクロロエタン (DCE) (4 mL) 20 mL シンチレーション バイアルで。電磁攪拌棒を追加し、ゴムキャップでバイアルをフィットします。
2. 1 mL プラスチック注射器のバレルをゴム製管の短い部分に取り付けます。ラテックス風船のゴム製管の挿入、ゴムバンドと絶縁テープ ・ チューブにバルーンを固定します。O₂ラテックス風船を膨らませます。
3. 反応バイアルに O₂バルーンの針を挿入します。2 つ目の針を挿入鼻中隔し O₂の反応容器のヘッド スペースを削除します。
4. O₂雰囲気下で 4 時間室温で反応を攪拌撹拌プレートを使用します。
5. ロータリーエバポレーターを使用して反応混合物を集中し、CDCl₃の結果として得られる油性残留物の¹H-NMR スペクトルを取る。

2. ブチルアルデヒドの酸化安定性評価のために酸化防止剤として BHT を使用してください。

下記のとおり 2 つのバイアルを設定します。製品分布を分析する使用は 1 つ、1 つは EPR 分光法の手順 3 で使用します。

1. ブチルアルデヒド (100 mg) と溶液 CoCl₂·6H₂O (1 mg) 20 mL シンチレーション バイアルの dce (4 mL) を準備します。BHT (10 mg) をソリューションに追加します。電磁攪拌棒を追加し、ゴムキャップでバイアルをフィットします。
2. 1 mL プラスチック注射器のバレルをゴム製管の短い部分に取り付けます。ラテックス風船のゴム製管の挿入、ゴムバンドと絶縁テープ ・ チューブにバルーンを固定します。O₂ラテックス風船を膨らませます。
3. 反応バイアルに O₂バルーンの針を挿入します。2 つ目の針を挿入鼻中隔し O₂の反応容器のヘッド スペースを削除します。
4. O₂雰囲気下で 4 時間室温で反応を攪拌撹拌プレートを使用します。
5. ロータリーエバポレーターを使用して反応混合物を集中し、CDCl₃の結果として得られる油性残留物の¹H-NMR スペクトルを取る。

3. EPR スペクトルを測定

1. EPR 分光器を有効にし、ウォーム アップに、次のパラメーターで EPR 集録 30 分セットの楽器: センター フィールド 3,345 G、スイープ幅 100 G、スイープ時間 55 秒、時定数 10 ms、MW 電力 5 mW、変調 100 kHz、と変調振幅 1 G
2. EPR チューブまたは計測器の共振器からバック グラウンド信号がないことを確認するための空の EPR 管の EPR スペクトルを測定します。
3. N₂の DCE で BHT のソリューションを準備-グローブ ボックスを充填します。EPR チューブに溶液 0.5 mL を転送し、アクイジション ・ パラメーターは 3.1 の手順で設定を使用して BHT の EPR スペクトルを測定します。
4. 0.5 mL から BHT 付加反応液の EPR チューブ ステップ 2 とを取得し、ステップ 3.1 で設定集録パラメーターを用いた EPR スペクトルを転送します。

ブチルアルデヒドの自動酸化では、酪酸を与えます。ステップ 1 で遂行反応から得られた¹H の NMR スペクトルは、酒精 C H 共鳴の欠乏と酪酸の期待される共鳴の存在を示しています。対照的に、ステップ 2 (BHT) を追加したから反応混合物から得られた NMR 信号存在酪酸を含まないとブチルアルデヒドと一致してが表示されます。これらのデータから、ブチルアルデヒド、アルデヒドの自動酸化で酸化防止剤を務めてを遵守します。

アルデヒドの自動酸化を抑制することで BHT の役割が EPR スペクトル BHT ・ BHT アルデヒド自動酸化反応に追加で点灯します。BHT は反磁性有機分子は不対電子を意味します。したがって、BHT の EPR スペクトル信号を表示しません。対照的に、BHT が追加された自動酸化反応の EPR スペクトルは 4 人が並ぶとして有機ラジカルと一貫性のある強力なパターンを表示します。このスペクトルは BHT の O-H 結合は弱いので、自動酸化生成ラジカルの存在下で BHT から H 原子移動ラジカル連鎖のメカニズムを消光を発生し、O を中心としたラジカルを生成します。

この実験では、我々 は自動酸化化学を阻害することで抗酸化物質の役割を探った。我々 は BHT が振込 H 原子反応のラジカル中間体を焼入れによって酸化防止剤として使用されることを明らかにした EPR 分光法を用いた抑制機構がプローブされます。

不対電子を持つ分子 NMR によって特徴付けること、したがって EPR 分光法はよくこれらの種に関する補足情報を提供しています。Epr は頻繁に検出し、有機ラジカルを特徴付ける使用実験手法です。さらに、常磁性無機複合体は頻繁にまた EPR スペクトル特性評価に有益なことができるを表示します。実験的 EPR スペクトルを描くg-常磁性センターの電子構造についての情報を提供する不対電子の係数。さらに、近隣の核と同様に不対電子と原子核の核スピンもm_s状態と EPR スペクトル内の複数行の追加分裂を生じ、電子の磁気モーメントに影響します。結果として得られる超微細、超超微細カップリングはさらに分子の電子構造に関する情報を提供します。

開殻有機と無機の種を特徴付けるに加えて EPR 分光法の絶妙な感度は、金属因子の濃度が低い生物無機系への応用に重要です。EPR スペクトルは生物無機化学で構造と酵素の中心に金属イオンの酸化状態について直接的な情報を提供するために日常的に使用されます。