4.8: Espectroscopia EPR
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Principios básicos para la espectroscopia EPR
La espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica (EPR) es una poderosa herramienta para investigar especies paramagnéticas, incluyendo radicales orgánicos, radicales inorgánicos y estados tripletes. Los principios básicos detrás de la EPR son muy similares a la espectroscopía de resonancia magnética nuclear (RMN) más ubicua, excepto que la EPR se enfoca en la interacción de un campo magnético externo con el (los) electrón (s) desapareado (s) en una molécula, en lugar de los núcleos de los átomos individuales. La EPR se ha utilizado para investigar cinéticas, mecanismos y estructuras de especies paramagnéticas y, junto con la química general y la física, tiene aplicaciones en bioquímica, ciencia de polímeros y geociencias.
La degeneración de los estados de espín electrónico se levanta cuando se coloca un electrón desapareado en un campo magnético, creando dos estados de espín, m s = ± ½, donde m s = - ½, el estado de menor energía, se alinea con el campo magnético. El estado de espín en el electrón puede voltear cuando se aplica radiación electromagnética. En el caso de las transiciones de espín electrónico, esto corresponde a la radiación en el rango de microondas.
La diferencia de energía entre los dos estados de giro viene dada por la ecuación
\[ \Delta E \ =\ E_{+} - E_{-} = h \nu = g \beta B \label{1} \]
donde h es la constante de Planck (6.626 x 10 -34 J s -1), v es la frecuencia de radiación, ß es el magnetón Bohr (9.274 x 10 -24 J T -1), B es la intensidad del campo magnético en Tesla, y g se conoce como el factor g. El factor g es una medida sin unidad del momento magnético intrínseco del electrón, y su valor para un electrón libre es 2.0023. El valor de g puede variar, sin embargo, y puede calcularse por reordenamiento de la ecuación anterior, es decir,
\[ g = \dfrac{h \nu}{\beta B }\label{2} \]
utilizando el campo magnético y la frecuencia del espectrómetro. Dado que h, v y ß no deben cambiar durante un experimento, los valores de g disminuyen a medida que aumenta B. El concepto de g puede equipararse aproximadamente al de desplazamiento químico en RMN.
Instrumentación
La espectroscopia EPR se puede llevar a cabo ya sea 1) variando el campo magnético y manteniendo constante la frecuencia o 2) variando la frecuencia y manteniendo constante el campo magnético (como es el caso de la espectroscopia de RMN). Los espectrómetros EPR comerciales suelen variar el campo magnético y mantener la frecuencia constante, opuesta a los espectrómetros de RMN. La mayoría de los espectrómetros EPR están en el rango de 8-10 GHz (banda X), aunque hay espectrómetros que trabajan en campos cada vez más bajos: 1-2 GHz (banda L) y 2-4 GHz (banda S), 35 GHz (banda Q) y 95 GHz (banda W).
Los espectrómetros EPR funcionan generando microondas a partir de una fuente (típicamente un klystrón), enviándolos a través de un atenuador, y pasándolos a la muestra, que se encuentra en una cavidad de microondas (Figura\(\PageIndex{1}\)).
Las microondas reflejadas de nuevo desde la cavidad se enrutan al diodo detector, y la señal sale como una disminución de la corriente en el detector análoga a la absorción de microondas por la muestra.
Las muestras para EPR pueden ser gases, monocristales, soluciones, polvos y soluciones congeladas. Para las soluciones, los disolventes con constantes dieléctricas altas no son recomendables, ya que absorberán microondas. Para las soluciones congeladas, son preferibles los disolventes que formarán un vaso cuando se congelen. Los buenos vidrios se forman a partir de solventes con baja simetría y solventes que no unen hidrógeno. Drago proporciona una extensa lista de solventes que forman buenos vidrios.
Los espectros EPR se presentan generalmente como la primera derivada de los espectros de absorción para facilitar su interpretación. Un ejemplo se da en la Figura\(\PageIndex{2}\).
La intensidad del campo magnético generalmente se reporta en unidades de Gauss o MTesla. A menudo los espectros EPR son muy complicados, y el análisis de espectros a través del uso de programas de computadora es habitual. Existen programas informáticos que predicen los espectros EPR de compuestos con la entrada de algunos parámetros.
Factores que afectan a los espectros de EPR
Acoplamiento Hiperfino
El acoplamiento hiperfino en EPR es análogo al acoplamiento espín-espín en RMN. Existen dos tipos de acoplamiento hiperfino: 1) acoplamiento del momento magnético electrónico al momento magnético de su propio núcleo; y 2) acoplamiento del electrón a un núcleo de un átomo diferente, llamado división súper hiperfina. Ambos tipos de acoplamiento hiperfino provocan una división de las líneas espectrales con intensidades siguiendo el triángulo de Pascal para I = 1/2 núcleos, similar al acoplamiento J en RMN. En la Figura se muestra un espectro simulado del radical metilo\(\PageIndex{3}\). La línea se divide en partes iguales por los tres hidrógenos dando lugar a cuatro líneas de intensidad 1:3:3:1 con constante de acoplamiento hiperfino a.
La constante de división hiperfina, conocida como a, se puede determinar midiendo la distancia entre cada una de las líneas hiperfinas. Este valor se puede convertir en Hz (A) usando el valor g en la ecuación:
\[ hA\ =\ g \beta a \label{3} \]
En el caso específico de Cu (II), el espín nuclear de Cu es I = 3/2, por lo que la división hiperfina resultaría en cuatro líneas de intensidad 1:1:1:1. De igual manera, la división súper hiperfina de Cu (II) ligada a cuatro núcleos simétricos I = 1, como 14 N, produciría nueve líneas con intensidades que serían 1:8:28:56:70:56:28:8:1.
Anisotropía
El factor g de muchas especies paramagnéticas, incluyendo Cu (II), es anisotrópico, lo que significa que depende de su orientación en el campo magnético. El factor g para especies anisotrópicas se descompone generalmente en tres valores de g siguiendo un sistema de coordenadas cartesianas que es simétrico a lo largo de la diagonal: g x, g y g z. Hay cuatro límites para este sistema:
- Cuando g x = g y = g z el espectro se considera isotrópico, y no depende de la orientación en el campo magnético.
- Cuando g x = g y > g z se dice que el espectro es axial, y se alarga a lo largo del eje z. Los dos valores equivalentes de g se conocen como g mientras que el valor singular se conoce como g”. Exhibe un pequeño pico en campo bajo y un pico grande en campo alto.
- Cuando g x = g y < g z también se dice que el espectro es axial, pero se acorta en el plano xy. Exhibe un pico grande en campo bajo y un pico pequeño en campo alto.
- Cuando g x ≠ g y ≠ g z se dice que el espectro es rómbico, y muestra tres grandes picos correspondientes a los diferentes componentes de g.
La condición ii corresponde a Cu (II) en una geometría plana cuadrada con el electrón desapareado en el orbital d x 2 -y 2. Donde también hay división hiperfina involucrada, g se define como el promedio ponderado de las líneas.
Espectroscopia de Resonancia Paramagnética Electrónica de Compuestos de Cobre (II)
Compuestos de cobre (II)
Los compuestos de cobre juegan un papel valioso tanto en la química sintética como en la biológica. El cobre cataliza una amplia gama de reacciones, principalmente reacciones de oxidación-reducción que hacen uso del ciclo redox Cu (I) /Cu (II). El cobre se encuentra en el sitio activo de muchas enzimas y proteínas, incluyendo las proteínas portadoras de oxígeno llamadas hemocianinas.
Los estados de oxidación comunes del cobre incluyen el estado de cobre (I) menos estable, Cu +; y el estado de cobre (II) más estable, Cu 2 +. El cobre (I) tiene una configuración electrónica d 10 sin electrones desapareados, lo que lo hace indetectable por EPR. La configuración d 9 de Cu 2 + significa que sus compuestos son paramagnéticos haciendo EPR de especies que contienen Cu (II) una herramienta útil para estudios estructurales y mecanicistas. Dos ejemplos bibliográficos de cómo EPR puede proporcionar información sobre los mecanismos de reactividad de Cu (II) se discuten en este documento.
Los centros de cobre (II) suelen tener geometría tetraédrica o octaédrica alargada axialmente. Sus espectros son anisotrópicos y generalmente dan señales de tipo axial u ortorrómbico. A partir de espectros EPR de compuestos de cobre (II), se puede determinar la geometría de coordinación. Un ejemplo de un espectro típico de Cu (II) en polvo se muestra en la Figura\(\PageIndex{4}\).
El espectro anterior muestra cuatro picos similares a la absorción correspondientes a g” indicando coordinación a cuatro átomos idénticos, muy probablemente nitrógeno. También hay un pico derivado asimétrico correspondiente a g en campo más alto que indica elongación a lo largo del eje z.
Determinación de un Intermedio
La reactividad y el mecanismo de los sistemas Cu (II) -peroxi se investigó mediante el estudio de la descomposición del complejo Cu (II) 1 con EPR, así como espectroscopía UV-Vis y Raman. Se dan la estructura (Figura\(\PageIndex{5}\)) y el espectro EPR Figura\(\PageIndex{6}\) 1. Se postuló que la descomposición de 1 puede pasar por los intermedios LCu (II) OOH, LCu (II) OO•, o LCu (II) O• donde L = ligando.
Para determinar el intermedio, se agregó una trampa de radicales común 5,5-dimetil-1-pirrolina-N-óxido (DMPO). Se aisló un complejo 1:1 de intermedio y DMPO, y dada la posible estructura 2 (Figura\(\PageIndex{7}\), que se muestra junto con su espectro EPR (Figura\(\PageIndex{8}\)).
Los datos de EPR muestran espectros similares aunque diferentes para Cu (II) en cada compuesto, lo que indica un ambiente de coordinación similar, axial alargado y muy probablemente un intermedio LCu (II) O•.
Determinación de un ciclo catalítico
El mecanismo de oxidación de alcoholes a aldehídos usando un catalizador de Cu (II), TEMPO y O 2 se investigó usando EPR. Un mecanismo propuesto se da en la Figura\(\PageIndex{9}\).
Los estudios de EPR se realizaron durante la reacción tomando alícuotas en varios momentos e inmediatamente congelando las muestras para el análisis de EPR. Los espectros resultantes se muestran en la Figura\(\PageIndex{10}\).
El espectro EPR (a) en la Figura 6, después de 1.2 horas, muestra una señal para TEMPO a g = 2.006 así como una señal para Cu (II) con g ≈ = 2.26, g = 2.06, A” = 520 MHz y A < 50 MHz. Después de 4 horas, la señal para Cu (II) ya no está en la mezcla de reacción, y la señal TEMPO ha disminuido significativamente. Sugiriendo que todo el Cu (II) se ha reducido a Cu (I) y que la mayoría de TEMPO se ha oxidado. Después de 8 horas, las señales para Cu (II) y TEMPO han regresado indicando regeneración de ambas especies. De esta manera, la evidencia de EPR respalda el mecanismo propuesto.
Espectroscopía de doble resonancia electrón-nuclear
La doble resonancia nuclear electrónica (ENDOR) utiliza resonancia magnética para simplificar los espectros de resonancia paramagnética electrónica (EPR) de especies paramagnéticas (una que contiene un electrón desapareado). Es muy potente y avanzado y funciona sondeando el ambiente de estas especies. ENDOR fue inventado en 1956 por George Feher (Figura\(\PageIndex{11}\)).
ENDOR: Espectroscopía de RMN en un Espectrómetro EPR
El espín de electrones metálicos de una transición puede interactuar con los espines nucleares de los ligandos a través de interacciones de contacto dipolar. Esto provoca cambios en las líneas del espectro de resonancia magnética nuclear (RMN) causados por los núcleos del ligando. La técnica de RMN utiliza estas interacciones dipolares, ya que corresponden a la posición relativa del espín nuclear con respecto al átomo metálico, para dar información sobre las coordenadas nucleares. Sin embargo, una especie paramagnética (una que contiene electrones desapareados) complica el espectro de RMN al ampliar considerablemente las líneas.
La EPR es una técnica utilizada para estudiar compuestos paramagnéticos. Sin embargo, EPR tiene sus limitaciones ya que ofrece baja resolución que resultan en la ampliación de línea y división de línea. Esto se debe en parte al acoplamiento de los espines electrónicos a los espines nucleares circundantes. Sin embargo, este acoplamiento es importante para entender un compuesto paramagnético y determinar las coordenadas de sus ligandos. Si bien ni RMN ni EPR pueden usarse para estudiar estas interacciones de acoplamiento, se pueden usar ambas técnicas simultáneamente, que es el concepto detrás de ENDOR. Un experimento ENDOR es un experimento de doble resonancia en el que se detectan resonancias de RMN utilizando cambios de intensidad de una línea EPR que se irradia simultáneamente. Una diferencia importante es que la porción NRM de un experimento ENDOR utiliza microondas en lugar de radiofrecuencias, lo que resulta en una mejora de la sensibilidad en varios órdenes de magnitud.
Teoría
La técnica ENDOR implica monitorear los efectos de las transiciones EPR de una transición de RMN impulsada simultáneamente, lo que permite la detección de la absorción de RMN con una sensibilidad mucho mayor que la EPR. Para ilustrar el sistema ENDOR, se utiliza un sistema de dos espines. Esto implica un campo magnético (B o) que interactúa con un electrón (S = 1/2) y un protón (I = 1/2).
Ecuación hamiltoniana
La ecuación hamiltoniana para un sistema de dos espines se describe por\ ref {4}. La ecuación enumera cuatro términos: la interacción electrónica Zeeman (EZ), la interacción nuclear Zeeman (NZ), la interacción hiperfina (HFS), respectivamente. El EZ se relaciona con la interacción del espín del electrón y el campo magnético aplicado. El NZ describe la interacción del momento magnético del protón y el campo magnético. El HSF es la interacción del acoplamiento que se produce entre el espín del electrón y el espín nuclear del protón. Los espectros ENDOR contienen información sobre los tres términos del hamiltoniano.
\[ H_{0} \ =\ H_{EZ}\ +\ H_{NZ}\ +\ H_{HFS} \label{4} \]
Reglas de selección
\ ref {4} se puede ampliar aún más a\ ref {5}. g n es el factor g nuclear, que caracteriza el momento magnético del núcleo. S e I son los operadores vectoriales para los espines del electrón y el núcleo, respectivamente. μ B es el magnetón Bohr (9.274 x 10 -24 JT -1). μ n es el magnetón nuclear (5.05 x 10 -27 JT -1). h es la constante del tablón (6.626 x 10 -34 J s). g y A son los tensores g e hiperfinos. \ ref {5} se convierte en\ ref {6} asumiendo solo interacciones isotrópicas y el campo magnético alineado a lo largo del eje Z. En\ ref {6}, g es el factor g isotrópico y a es la constante hiperfina isotrópica.
\[ H\ =\ \mu_{B}B_{0}gS\ -\ g_{n}\mu _{n}B_{0}I \ +\ hSAI \label{5} \]
\[ H\ =\ g\mu_{B}B_{0}S_{Z} - g_{n}\mu _{n} B_{0} I_{Z} \ +\ haSI \label{6} \]
Los niveles de energía para los dos sistemas de espín se pueden calcular ignorando términos de segundo orden en la aproximación de alto archivado por\ ref {7}. Esta ecuación se puede utilizar para expresar los cuatro niveles de energía posibles del sistema de dos espines (S = 1/2, I = 1/2) en\ ref {8} -\ ref {11}
\[E(M_{S},M_{I}) = g \mu _{B} B_{0} M_{S} - g_{n} \mu _{n} B_{0} M_{I} \ +\ haM_{S}M_{I} \label{7} \]
\[E_{a}\ =\ -1/2g\mu _{B} B_{0} - 1/2g_{n} \mu _{n} B_{0} - 1/4ha \label{8} \]
\[E_{b}\ =\ +1/2g\mu _{B} B_{0} - 1/2g_{n} \mu _{n} B_{0} + 1/4ha \label{9} \]
\[E_{c}\ =\ +1/2g\mu _{B} B_{0} + 1/2g_{n} \mu _{n} B_{0} - 1/4ha \label{10} \]
\[E_{d}\ =\ -1/2g\mu _{B} B_{0} + 1/2g_{n} \mu _{n} B_{0} + 1/4ha \label{11} \]
Podemos aplicar las reglas de selección de EPR a estos niveles de energía (ΔM I = 0 y ΔM S = ±1) para encontrar las dos posibles transiciones de resonancia que pueden ocurrir, mostradas en\ ref {12} y\ ref {13}. Estas ecuaciones pueden simplificarse aún más expresándolas en unidades de frecuencia, donde ν e = gμ n B 0 /h para derivar\ ref {14}, que define las transiciones EPR (Figura\(\PageIndex{12}\)). En el espectro esto daría dos picos de absorción que están separados por la división hiperfina isotrópica, a (Figura\(\PageIndex{12}\)).
\[ \Delta E_{cd}\ =\ E_{c}\ -\ E_{d} \ =\ g \mu_{B} B - 1/2ha \label{12} \]
\[ \Delta E_{ab}\ =\ E_{b}\ -\ E_{a} \ =\ g \mu_{B} B + 1/2ha \label{13} \]
\[V_{EPR} \ =\ v_{e} \pm a/2 \label{14} \]
Aplicaciones
ENDOR tiene ventajas tanto en especies paramagnéticas orgánicas como inorgánicas, ya que es útil para caracterizar su estructura tanto en solución como en estado sólido. Primero, mejora la resolución obtenida en radicales orgánicos en solución. En ENDOR, cada grupo de núcleos equivalentes aporta solo 2 líneas al espectro, y los núcleos no equivalentes causan solo un aumento aditivo en contraposición a un aumento multiplicativo como en EPR. Por ejemplo, el catión radical 9,10-dimetilantraceno (Figura\(\PageIndex{14}\)) produciría 175 líneas en un espectro EPR porque los espectros incluirían 3 conjuntos de protones inequivalentes. Sin embargo ENDOR produce sólo tres pares de líneas (1 por cada conjunto de núcleos equivalentes), que pueden ser utilizados para encontrar los acoplamientos hiperfinos. Esto también se muestra en la Figura\(\PageIndex{14}\).
ENDOR también se puede utilizar para obtener información estructural a partir de los espectros de EPR en polvo de complejos metálicos. La espectroscopia ENDOR se puede utilizar para obtener el tensor de interacción hiperfina nuclear de electrones, que es la sonda más sensible para la determinación de la estructura. Un campo magnético que asume todas las orientaciones posibles con respecto al marco molecular se aplica a las moléculas orientadas aleatoriamente. Las resonancias de esto se superponen entre sí y conforman el espectro de EPR en polvo. Las mediciones ENDOR se realizan en una posición de campo seleccionada en el espectro EPR, que solo contienen ese subconjunto de moléculas que tienen orientaciones que contribuyen a la intensidad de EPR al valor elegido del campo de observación. Por puntos de inflexión de EPR seleccionados a valores de campo magnético que corresponden a orientaciones moleculares definidas, se obtiene un espectro ENDOR “como cristal único”. Esto también se denomina experimento ENDOR “selectivo de orientación” que puede utilizar la simulación de los datos para obtener los componentes principales de los tensores magnéticos para cada núcleo que interactúa. Esta información puede ser utilizada para proporcionar información estructural sobre la distancia y orientación espacial del núcleo remoto. Esto puede ser especialmente interesante ya que se puede obtener una estructura tridimensional para un sistema paramagnético donde no se puede preparar un solo cristal.