Download Espectroscopia de Resonancia de Paramagnética Electrónica (RPE)

Espectroscopia de Resonancia de
Paramagnética Electrónica (RPE)
Alejandro Solano Peralta
Lab. de RPE
Facultad de Química–
uímica–U.N.A.M.
Unidad de Servicios de Apoyo a la Investigación
¿Qué es Resonancia Paramagnética
Electrónica ?
La Resonancia Paramagnética Electrónica (EPR
por su acrónimo en ingles) es una técnica
espectroscópica que permite detectar especies
con electrones desapareados.
Esta técnica complementa otras técnicas analíticas
y es la única que permite la detección directa de
radicales libres formados en varios sistemas
químicos o biológicos.
1
¿Qué formas experimentales hay para
estudiar compuestos químicos?
Métodos
-Espectroscopía de Absorción
-Resonancia Magnética Nuclear
-Resonancia de Espín Electrónico
-Flourescencia
-Dicroísmo Circular Magnético
-Raman
-Infra-Rojo
-Polarografía, VC., etc
Directo
propiedades del metal
(oxidación y el número de
coordinación )- permite
caracterización cinética
Indirecto
2
Radiación
Electromagnética
Longitud de onda 1
λ, (m)
10-6
10-1
10-2
10-3
10-4
10-5 10-6
µm
mm
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
1
10-7
10-8
10-9
10-10 10-11 10-12 10-13 10-14
nm
10
101
Å
102
pm
103
104
105
106
Energía
hν, (eV)
107
Radiación
Radio
Microondas
IR
Vis UV Rayos X Rayos X
(suaves) (duros)
Rayos Rayos
γ cósmicos
Excitación
vibración electrónica e- de core bajo y alto nuclear
rotación
+ Campo B
espín
nuclear
Espectroscopía
espín
electrón
NMR
EPR
FTIR,
Raman
Abs,CD/MCD
L-, K-edge
XAS
Métodos instrumentales (Técnicas
Técnicas Espectroscópicas)
utilizados en química inorgánica.
Gamma
eV
14000
Rayos X
8000
UV/vis
Infra-rojo
4-1
2000
Micro-ondas Radiofrecuencia
0.1-0.01
10-4 -10-5
10-6 -10-7
IR
EPR
NMR
ABS
Mössbauer
0
δ
XAS
1800
1900
1400
2100
2000
1500
1600
1700
-1
Wavenumber (cm )
EXAFS
MCD
Raman
mm/s
2500
x1/3
EXAFS
edge
3000
ENDOR
3500
Magnetic field (G)
Q
351
near-edge
407
pre-edge
EQ
8960
8980
476
9000
9020
Energy (eV)
9040
9060
CD
530
568
676
30000
25000
20000
15000
10000
-1
Wavenumber (cm )
400
500
700
-1
Raman Shift (cm )
800
11
12
13
14
15
16
17
Frequency (MHz)
3
EPR vs. NMR
1.95
2.08
EPR
Muy especifico dado que los
paramagnetos son relativamente raros;
en una proteína se puede esperar solo
un centro paramagnético
Radiación de micro-ondas con
energías de 1010 Hz (10 GHz) y λ de ~
5 cm
Se hace un barrido de campo
magnético (0 – ≈ 6000 G) a frecuencia
constante
µe = -gβS (β = eh/4πmc)
g ~ 2.00
1.96
2.05
Reduced Enzyme
T<=10K
1.87
2800
3000
3200
3400
3600
3800
4000
Magnetic Field (G)
centros Fe-S < 10 K
EPR vs. NMR
NMR
Mas general dado que 1H, 31P,
13C son altamente abundantes; en
proteínas, millones de magnetos
nucleares
radiación de radiofrecuencia con
energías de 108 Hz (100 MHz) y λ
de ~ 100 m
Se hace un barrido de frecuencia
a campo magnético constante
µN = -gNβ NI (βN = eh/4πMc)
gN ~ 5.58 para un protón
4
Fenómeno de EPR
Desdoblamiento de niveles electrónicos
(Efecto Zeeman)
m s = +1/2
hν = gβH
Zero
Field
m s = -1/2
Increasing Field
En un campo magnético aplicado, el espín del electrón se alinea de forma paralela
o antiparalelamente al campo. Estas orientaciones tiene diferente energía. Este
desdoblamiento es llamado el desdoblamiento Zeeman.
Información obtenida por EPR
1. Cuál tipo de paramagneto esta presente?
... Huellas digitales! Metal, Radical, sistemas Interactuando, ...
2. Cuántos Paramagnetos están presentes?
... Cuantificación!
3. Información sobre estructura Geométrica y Electrónica de las
especies paramagnéticas.
4. En Metales de Transición - Información cualitativa acerca del Tipo y
Numero de Ligantes
5. Es la sustancia, ¿paramagnética ?
... pero algunos sistemas de espín entero (S = 1, 2, 3, etc) son
inactivos al EPR, “EPR
silent”
6. En sistemas interactuantes– Información sobre las Distancias
5
Campos de aplicación de EPR
Que sustancias pueden ser medidas por EPR?
Todas las sustancias que contengan al menos un electrón desapareado
Física: susceptibilidad, semiconductores, puntos cuánticos, centros
de defecto...
Química: cinética de reacción - et, organometálica, catálisis,
magnetos moleculares...
ionización por Radiación : dosimetría – radiación de alanina, daño
por radiación , alimentos irradiados...
Investigación de materiales : polímero, vidrios, superconductores,
corrosión, fulerenos, marcaje ...
Biología: reacción, plegamiento & dinámica de enzimas, cinética de
reacción -et, centros metálicos... (Química Bioinorgánica)
ÁREAS RELACIONADAS
La técnica de EPR involucra variadas disciplinas
incluyendo química, física, biología, ciencia de
materiales y ciencias médicas. A través de estas
medidas espectroscópicas se puede obtener
importante información estructural y dinámica, aún
de procesos químicos o físicos que están ocurriendo
al momento de realizarse las medidas y sin perturbar
al proceso como tal.
6
APLICACIONES
QUÍMICA
Birradicales y moléculas en estado
triplete
Investigaciones cinéticas
Comportamiento de radicales libres en
corrosión
Comportamiento de pinturas bajo
irradiación UV
Investigación de Polímeros
Procesos de oxidación-reducción
Estudio de mecanismos de reacción
etc
FÍSICA
•Efectos de las irradiaciones
•Defectos en cristales
ej.: Centros de color en haluros alcalinos
Detección óptica de Resonancia
Magnética
Influencia de impurezas en
semiconductores
Campos cristalinos en monocristales
Microcristales con iones magnéticos
etc
GEOLOGÍA
Datación
Sonoquímica
in situ
APLICACIONES
BIOLOGÍA
Efecto de los Rayos X sobre
compuestos biológicos
Detección de drogas
Control de alimentos irradiados
Reacciones enzimáticas
Fotosíntesis
Observación de iones y elementos de
transición
Propiedades magnéticas
anormales de ácidos nucleicos
etc
MEDICINA
Investigación de reacciones
carcinogenésicas
Estudio de la sangre y de
microorganismos
Estudio de radicales libres en
tejidos vivos
Fotosíntesis
Técnicas de “spin label”
Técnicas de”spin probe”
“Técnicas de imaging”
etc
7
Aplicabilidad de EPR
Que sustancias pueden ser medidas por EPR?
En Química Bioinorgánica estos son:
1.
2.
3.
4.
5.
Iónes de Metales de Transición (CuII,NiI,III,CoII,FeIII,MnII,VIV,MoV)
Radicales de cadenas laterales de Proteínas (Tyr•,Trp•,Gly•,Cys•)
Radical Cofactor (Semiquinonas, Radical Flavina ...)
Radicales Inorgánicos (NO•,O2•-,....)
Especies paramagnéticas transcientes en procesos generados por luz
...pero también
1. Trampas de espín (spin traps) pueden ser usados para “atrapar”
Radicales de vida corta
2. Etiquetas de espín (Spin Labels) se pueden adjuntar a Proteínas,
Ácidos Nucleicos, ... Para estudiar su estructura y Dinámica
Ejemplo 1; Radicales Libre
Disminución de la señal RPE (resonancia paramagnética electrónica)
emitida por el radical hidróxido generado por vía química.
8
Ejemplo 2; INDUSTRIA DEL PETRÓLEO
Las anomalías micromagnéticas observadas sobre
los campos se han interpretado como el resultado
de la presencia, en niveles cercanos a la superficie,
de abundante magnetita en forma de agregados
esferoidales de cristales que han crecido por la
alteración de óxidos de Fe en un ambiente
reductor inducido por el H2S y el petróleo gaseoso
que se desprenden del reservorio subyacente.
Ejemplo 3; DOSIMETRÍA
Los cambios inducidos en las propiedades físicas de materiales estables,
debido a la creación en ellos de centros paramagnéticos, son estudiados
en detalle mediante espectroscopía de Resonancia Paramagnética
Electrónica (EPR).
Los parámetros físicos obtenidos son: el momento magnético efectivo
del centro paramagnético, y las interacciónes hiperfinas, magnética y eléctrica,
propias y con los átomos vecinos en el material. Otros parámetros importantes
que se obtienen son: el número de defectos paramagnéticos, y su comportamiento
dinámico, en función de temperatura y de tiempo.
9
REVISTA de divulgación internacional
Fundada en 1989
http://ierec.scs.uiuc.edu/IES.html
Federación Europea de Grupos de Resonancia Paramagnética
Electrónica
http://www.cf.ac.uk/esr/fed.html
Bibliografía General
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
J. E. Huheey, E. A. Keiter, R. L. Keiter, “Inorganic Chemistry”, Harper Collins,
1993.
Graybeal, D., "Molecular Spectroscopy", VCH, 1992
Drago, R. S., “Physical Methods in Chemistry”, Saunders College Pub. (Saunders
Golden Sunburst Series), 1990
Atherton, N. M., “Principles of Electron Spin Resonance”, Ellis Horwood PTR
Prentice Hall (Physical chemistry series), 1993
Weil, J. A., Bolton, J. R. & Wertz, J. E., “Electron Paramagnetic Resonance;
elementary theory and practical applications”, John Wiley & Sons, Inc., 1994
Pilbrow, J. R., “Transition Ion Electron Paramagnetic Resonance”, Oxford Sci.
Pub., 1990
Mabbs, F. E. & Collison, D., “Electron Paramagnetic Resonance of d Transition
Metal Compounds”, Elsevier (Studies in Inorganic Chemistry 16), Amsterdam,
1992
Bencini, A. & Gatteschi, D, “Electrón paramagnetic resonance of exchange
coupled system”, 1990, Springer- Verlag
10
Bibliografía General
9.
10.
11.
12.
13.
a) Eaton, G. R., Eaton, S. S., High-field and High-frecuency EPR in “Handbook
of Electron Paramagnetic Resonance”, edit by Poole Jr., C. & Farach, H., Vol.
II, Springer-Verlag, 1999; b) Eaton, G. R., Eaton, S. S., Appl. Mag, Reson., 16,
161 (1999).
Palmer, G., Electron paramagnetic resonance of metalloproteins in “Physical
Methods in Bioinorganic Chemistry: spectroscopy and magnetism” by
Lawrence Que (Editor), Cap. 3, University Sci. Books, 2000
Bencini A. & Gatteschi, D., Electron Paramagnetic Resonance Spectroscopy in
“Inorganic Electronic Structure and Spectroscopy”, Vol. I, Edited by E. I.
Solomon & A. B. P. Lever, John Wiley &Sons, 1999
Lawrence J. Berliner & Jacques Reuben (eds), EMR of Paramagnetic Molecules
in Biological Magnetic Resonance Vol. 13, Plenum, 1993
a) Neese, F., Zero-field splitting, in “Calculation of NMR and EPR
parameters: theory and applications”, cap. 34, edit by Kaupp, M., Bühl, M &
Malkin, V., Wiley-VCH, 2004; b) Neese, F., Application to EPR in Bioinorganic
chemistry, in “Calculation of NMR and EPR parameters: theory and
applications”, cap. 36, edit by Kaupp, M., Bühl, M & Malkin, V., Wiley-VCH,
2004
Algunos sitios web recomendados
International EPR(ESR) Society
http://ieprs.org/index.php
Electron Magnetic Resonance at Bristol
http://www.chm.bris.ac.uk/emr/
Index For Professor Phil Rieger's Notes on ESR
http://www.chm.bris.ac.uk/emr/Phil/
Pagina de EPR de Bruker -Biospin
http://www.bruker-biospin.com/brukerepr/index.html
11
Fundamentos de EPR
Aspectos teóricos
Propiedades Elementales de los
Electrones
Un Electrón tiene las siguientes propiedades:
-
• Masa me
• Carga –e0
monopolo Eléctrico
• Espín → Momento Dipolar Magnético µ
S
µ= − ge β
2.002319...
Magneton de Bohr
N
S
El Dipolo Magnético en un campo Magnético:
N
Dipolo Magnético
E=-µ
µB
=±geβB
campo B
12
Fenómeno de EPR
Laboratory
Paramagnet Electromagnet
N
N
S
S
Higher Energy
Moment against the direction of the field
N
S
N
S
Lower Energy
Moment in the direction of the field
Un Electrón en un campo Magnético
Energía de un Electrón en un campo magnético:
E=-µ
µB =±ge β |Β| cos(θ)
En Mecánica cuántica :
solo Orientaciones con cos(θ)=±1/2 son posible
Así, el Electrón puede tener solo dos estados:
|+1/2> y |-1/2>
“Arriba“
“Abajo“
13
Fenómeno de EPR
Teoría vs. Experimento
Primeramente, la energía E de un sistema está dada
por el campo magnético aplicado y el momento
magnético (µ) en la dirección del campo
magnético aplicado B:
E = -µ · B
Para el caso más simple, un electrón libre (S = 1/2 y
ms = +1/2), el momento magnético resultado del
momento de espín intrínseco (µe) esta definido por:
µe = -g β S
E=hν
Acorde con la ecuación de Planck
así una transición (donde S=1/2) puede ser inducida entre estos niveles aplicando
∆E = h ν = g β B
Fenómeno de EPR
Condición de resonancia
hν=gβB
Donde B es el valor de
campo donde ocurre la
absorción de micro-ondas y
β es el magnetón de Bohr
(46.69 x 10-6 cm-1 G-1)
ν = frecuencia (GHz)
El efecto fue primero descubierto por
Zavoisky en Kazan en 1944. E. Zavoisky,
J.Phys. U.S.S.R., 9:211, 245 (1945).
14
Una Transición EPR
Para cambiar la orientación del momento dipolar magnético
del electrón en la presencia de un campo magnético se
necesita aplicar una fuerza.
Esta fuerza es provista por un fotón de microondas el cual
induce una transición entre los niveles |-½> y |+½>.
E(|+½>)= +½geβ|B|
fotón de Microondas
Condición de Resonancia : ∆E= geβ |B| = hν
ν
No Field
E(|-½>)= -½geβ|B|
Estados Electrónicos
Field Present
Fenómeno de EPR
El Formalismo del Hamiltoniano de Espín; El experimento RPE registra la
respuesta de una muestra paramagnética a la radiación electromagnética
oscilante en presencia de un campo magnético estático.
Por lo tanto, para interpretar el espectro RPE necesitamos considerar todas
las interacciones entre el paramagneto y el campo magnético aplicado.
Como?
Ĥ Ψ = E Ψ (Mecánica Cuántica)
15
Fenómeno de EPR
ĤΨ=EΨ
¿Quien es Ĥ?
Ĥ = Ĥ elec + Ĥ CF + Ĥ LS + Ĥ ZE + Ĥ SS + Ĥ HF + Ĥ ZN + Ĥ II + Ĥ Q
$ $
$
H
elec = ∇ + V
donde Ĥ es el operador Hamiltoniano total
Pero si se considera solo la interacción del espín, ya sea nuclear o
electrónico, se constituyen lo que se conoce como el
Hamiltoniano de espín
ĤS = Ĥ ZE + Ĥ LS + ĤSS + Ĥ HF + Ĥ Q
Átomo de Hidrógeno: Hamiltoniano Magnético
z
Interacción ZEEMAN
µH = γHI
µe= −γeS
S
I
B = k Bo
Interacción de Contacto de FERMI
Interacción DIPOLAR
H = − gHβΗB0Iz + geβeB0Sz + a SzIz + a/2(S+I− + S−I+)
16
Diagrama de bloque de un espectrómetro
EPR
1ra derivada
CAVIDAD RESONANTE
Si 2PoutT1« 1, donde Pout es
la salida del Atenuador,
entonces:
dE
dt
= n0 Pout ∆E
17
SIMULACIÓN DE ESPECTROS DE
RPE
SIM (1993)
A) Generación o Detección
B) Análisis del Espectro de RPE
(Confirmación de los valores de aj)
C) Asignación de las aj
(Cálculos Teóricos)
SIMULADORES
WINSIM
(1996)
Hogni Weihe,
Copenhagen University
Denmark
WINEPR(1990)
WINEPR SimFonia (1996)
XSOPHIE (2002)
Dave Duling, PEST Winsim: EPR Calculations
for MS-Windows NT,95 Version 0.96, Public ESR
Software Tools (P.E.S.T.), National Institute of
Environmental Health Sciences
Bruker WINEPR system (1990-96),
Bruker-Franzen Analytik GmbH, Version: 2.11
WINEPR SimFonia Version 1.25
Bruker Analytische Messtecnik GmbH
Simulación de espectros EPR de muestras
aleatoriamente orientados (polvos)
Donde S(B, νc) denota la intensidad espectral, µij2 es la probabilidad de
transición, νc es la microondas frecuencia, νo(B) es la frecuencia resonante,
σv es el ancho de la línea espectral, f [(νc - ν0(B), σv] una función de la forma
de línea espectral (Gaussiana o Lorentziana) y C = constante
centros paramagnéticos:
simetría ortorrómbica o monoclínica, la integración necesita solo ser realizada
sobre 1 o 2 octantes, respectivamente.
simetría axial solo requiere integración sobre 0 < θ < π/2
simetría cúbica solo requieren a single orientación.
18
MÉTODOS DE CÁLCULO EN
QUÍMICA TEÓRICA
Hückel (HMO)
π-Electrónicos
SC-HMO
Pariser-Parr-Pople (PPP)
MÉTODOS ZDO
Pople et al.
All Valence
CUÁNTICOS
Dewar et al.
MÉTODOS
Ab initio
CNDO
INDO
PNDO
MINDO/n
PM3
AM1
SCF-HF (Hartree-Fock)
CI (Int. de Configuraciones)
MP (Møller-Plesser)
CC (Coupled Cluster)
FUNCIONALES DE LA
DENSIDAD (DFT)
LDA
GC
SVWN
BLYP
Híbridos B3LYP
19
Radical Vinilo
Radical Naftaleno
8
Cálculo de tipo DFT:
B3LYP/EPR-II
1
7
2
6
3
Geometría optimizada con
UHF/6-311++G(3df,2dp)
13C
1
H3
H1
H2
13C
2
5
Exp.
4
McCONNELL
a1 = 4.90 G ρ1π (1,4,5,8) = 0.181
a2 = 1.83 G ρ2π (2,3,6,7) = 0.069
a1
a2
= 2.67
ρ1
ρ2
= 2.62
Núcleos
Exp (G)
líneas
Teor. (G)
13C
1
107.57
(D) 1:1
115.24
13C
2
- 8.55
(D) 1:1
- 6.06
H1
68.5
(D) 1:1
63.02
H2
34.2
(D) 1:1
36.44
H3
15.7
(D) 1:1
17.98
Densidad de espín (DFT)
B3LYP/EPR-II//UHF/6-311++G(3df,2dp)
Densidad electrónica
Densidad de espín
20
Puente de hidrógeno intermolecular (trazo
de contorno HOMO del compuesto trans-1)
Theoretical study was performed using code deMon-KS, which is a
DFT-LCGTO-based method.
Sosa-Torres, et al, Inorg. Chim. Acta, 357, 4596 (2004)
Cu A ¿Estructura?
Cu-Cu; Cu-S; Cu-N
distances; metal
coordination numbers
21
Escala de g en
metales de
transición
gy=1.91
gz=2.02
Centros Fe-S en
Proteínas y Enzimas.
Señales EPR
Características
reduced
gav=1.91
[2Fe-2S]2+/+
Rieske
gz=2.05
reduced
gav=1.96
gx=1.79
[2Fe-2S]2+/+
Ferredoxin
gy=1.95
oxidized
gav=2.01
gx=1.89
gz=2.02
[3Fe-4S]+/0
gx,y=2.00
reduced
gav=1.96
Química BioBioinorgánica
oxidized
gav=2.06
gz=2.06
gy=1.92
[4Fe-4S]2+/+
gx=1.88
gx,y=2.04
gz=2.12
[4Fe-4S]3+/2+
HiPIP
300
320
340
360
380
400
Magnetic field [mT]
22
Interacción espín electrónico - espín
nuclear
El desdoblamiento electrón - núcleo
refleja el ambiente del electrón y puede
ser usado para identificar el tipo de
molécula que contiene un electrón
desapareado e identificar a detalle la
distribución de carga electrónica.
especies NiFe-CO
•El primer cúmulo metálico en
biología conteniendo Ni y Fe (1985)
Ni
X
Fe
S
S
Fe
Fe
S
S
Fe
Interacción espín electrónico - espín
nuclear freq = 9.86486 e+09 Hz
N
O.
3470 3480 3490 3500 3510 3520 3530 3540 3550 3560 3570
Campo magnético (G)
23
Interacción espín electrónico - espín
nuclear
Interacción espín electrónico - espín
nuclear
Espectro ESR del radical anion naftaleno; espectros delgadas en la parte baja
muestra el quinteto 1:4:6:4:1 correspondiente al acoplamiento a las 2 series de
4 protones equivalentes.
24
Interacción espín electrónico - espín
nuclear
Espectro ESR, de muestra en polvo simulado por computadora, de
Cu(acac)2
Interacción espín electrónico - espín
nuclear
[*10^ 3]
6
Cu(tpp)
4
2
0
-2
-4
-6
-8
-10
2500
2600
2700
2800
2900
3000
[G]
3100
3200
3300
3400
3500
25
Interacción espín electrónico - espín
nuclear
ANISOTROPÍA DEL Co2+ (S =3/2,
I =7/2) EN ENTORNO
OCTAÉDRICO
Interacción espín - espín
Sistemas acoplados con ST = 1, 2 electrones desapareados que pueden interactuar para
dar un sistema de espín con 4 subniveles ms =0, (-1, 0, +1).
S = 0,
1
Ms= 0, +1
0
-1
La magnitud de J puede ser determinada por EPR.
26
TÉCNICAS DE GENERACIÓN DE
ESPECIES PARAMAGNÉTICAS
Solamente una muy pequeña fracción de sustancias se encuentran en la naturaleza en
un estado paramagnético Estos son los siguientes:
O2, NO, radicales NITRÓXIDO, ciertos IONES DE TRANSICIÓN y ciertos
DEFECTOS PUNTUALES en Sólidos.
Sin embargo es posible obtener sustancias paramagnéticas utilizando alguno de los
siguientes procesos:
A). Reducción Química Monoelectrónica. La reacción de ciertos hidrocarbonos
poliacénicos con metales alcalinos en éter y en
vacío da lugar a disoluciones estables de los
correspondientes ANIONES RADICALES.
B). Oxidación Química Monoelectrónica. Las Reacciones de los mismos poliacenos
con un oxidante fuerte, tal como H2SO4
concentrado o AlCl3, dan lugar a disoluciones
estables de los correspondientes CATIONES
RADICALES
Los radicales OH. formados por fotolisis del H2O2 , abstraen
átomos de hidrógeno de muchas moléculas orgánicas dando
lugar a RADICALES LIBRES.
C). Abstracción y Adición
de Átomos de Hidrógeno
La fotolisis de peróxidos orgánicos da lugar a radicales
alcóxidos que también actúan abstrayendo átomos de H de
moléculas orgánicas dando radicales libres.
Cualquier tipo de irradiación de alta energía de monocristales
orgánicos dan lugar a RADICALES LIBRES.
La irradiación de determinadas muestras dan lugar a procesos fotoquímicos,
D). Fotolisis que frecuentemente transcurren por VIA RADICALARIA. Si la vida de estos
radicales es corta, se ha de realizar la Fotolisis in situ. En casos de vida muy
corta es necesario utilizar técnicas de flash-fotolisis in situ.
Las radiaciones de alta energía (Rayos X, Rayos γ y electrones rápidos
E). Radiolisis de un Acelerador) siempre producen intermedios RADICALARIOS que
pueden detectarse si son de vida corta con técnicas in situ o con radiolisis
de pulso usando haces de electrones de muy alta energía con un
Generador de Van der Graaf por ejemplo.
27
F). Generación Térmica
La descomposición térmica de Cl2 y de ciertas especies en
disolución dan lugar a RADICALES LIBRES. La técnica consiste
en introducir un hilo de Pt caliente en la cavidad en el caso de
gases.
Ciertas sustancias: nitróxidos y nitronas que son diamagnéticas en sus
G). Spin-Trapping estados normales, pueden reaccionar con radicales de vida muy corta
(OH.) y dar lugar a RADICALES ESTABLES que pueden ser detectados
y analizados fácilmente por RSE.
H). Métodos Electroquímicos
(espectro-electroquímica)
Con una celda diseñada especialmente para la cavidad,
pueden realizarse reacciones de oxidación y de reducción
monoelectrónicas in situ, generándose así ANIONES y
CATIONES RADICALES.
Para sistemas en fase gas se utiliza una cámara de descarga adyacente a la
I). Descargas cavidad resonante del espectrómetro que permite la generación de
RADICALES LIBRES gaseosos que fluyen hacia dicha cavidad.
SPIN - TRAPPING
Muchos mecanismos de reacción biológicos han podido ser explicados gracias a esta
técnica. Básicamente consiste en utilizar una sustancia diamagnética para estabilizar a un
radical de vida muy corta y formar un ADUCTO PARAMAGNÉTICO Y ESTABLE. Del análisis
del espectro de RSE del aducto y del conocimiento de la estructura del atrapador se puede
deducir la estructura del radical atrapado.
Detectables
No detectables
Radicales persistentes o
estables. Son aquellos cuya
concentración es [R.] > 10-7
El ejemplo más paradigmático de
radical persistente obtenido por síntesis química es el RADICAL LIBRE
PERCLORO TRIFENILMETANO
(C6Cl6)3C. obtenido por el Grupo del
Prof. Ballester (CSIC-Barcelona) en la
década de los 60. (Le denominaban
TIGRE ENJAULADO)
Radicales inestables. Son
aquellos cuya
concentración es [R.] < 10-7
incluso en régimen de flujo
estacionario típico de las
técnicas in situ:
Estable a T >300ºC
No reacciona con
HNO3/HCl
O2.-, OH. , OR. ,SR. ,
(C6H6)3C. ,etc
Insoluble en H2O
100% Radical
28
SPIN TRAPPING
R.
+
ST
AS.
Aducto de spin: persistente
Radical inestable
Spin trap (diamagnético)
Del análisis del espectro de
del aducto se puede deducir
la estructura del radical R.
Spin Traps ( Nitrosocompuestos, nitronas)
BIBLIOGRAFIA BÁSICA
A. Carrington and McLachlan. Introduction to Magnetic Resonance. Harper Int., 1969
J.E. Wertz and J.R. Bolton. Electron Spin Resonance. Theory and Application. McGraw Hill,
1994.
N.M. Atherton. ESR. Theory and Application. John Wiley, 1973.
H.Swartz, J.R.Bolton and D.C. Borg. Biological Applications of ESR. John Wiley, 1972.
C.P. Poole Jr., Electron Spin Resonance: A Comprehensive Treatise on Experimental
Techniques, 2nd ed., Interscience, New York, NY, 1983
J. A Weil, J. R Bolton, J. E Wertz (1994), Electron Paramagnetic Resonance – Elementary
Theory and Practical Applications, Wiley-Interscience, New York
Biological Magnetic Resonance Vol. 13 (1993), (eds Lawrence J Berliner, Jacques Reuben) EMR
of Paramagnetic Molecules, Plenum Press New York, 1993
Encyclopedia of Spectroscopy and Spectrometry (1999), (Ed-in-Chief John C Linden, eds George
E Tranter, John L Holmes) Academic Press, San Diego
E.I. Solomon, A.B.P. Lever (1999), Inorganic Electronic Structure and Spectroscopy (Vol. I &
II), Wiley Interscience, New York, Brisbane, Weinheim
Handbook of Metalloproteins (2001), (A. Messerschmidt, R. Huber, T.L. Poulos, K. Wieghardt,
eds) Wiley & Sons Ltd, Chichester, UK
29
Chemical Reviews,
Vol. 96, November 1996
Vol. 104, February 2004.
Special Issue on Bioinorganic Enzymology
International EPR(ESR) Society (IES)
(treasurer Dr. C. Felix, National Biomedical ESR Center)
Medical College of Wisconsin, Milwaukee, WI 53226, USA
• L.Banci, I. Bertini and Cl. Luchinat., "Nuclear and Electron Relaxation". Vch. Weinheim.
1991
• H.C.Box. "Radiation Effects. ESR and ENDOR Analysis". S4ac.Press. 1977
• R.S.Alger. "Electron Paramagnetic Resonance" Interscience. 1968
• L.J.Berliner. "Spin Labelling. Theory and Applications". Ac.Press.Ed.1975
• F. Jensen. "Introduction to Computational Chemistry" John Wiley&sons. 1999
• "Recent Advances in Density Functional Theory". Part I. World Scientific. 1995
• C.P.Slichter. "Principles of Magnetic Resonance". Harper Ed. 1963
• H.Swartz, J.R.Bolton and D.C.Borg. "Biological Applications of ESR". John Wiley. 1972
• P.F.Knowles, D.Marsch and H.W.E.Rattle. "Magnetic Resonance of Biomolecules". John
Wiley. 1976
• G.A.Segal. "Semiempirical Method of Electronic Structures Calculations". Plenum Press.
1977
• Dorio-freed. "Multiple Electron Resonance Spectroscopy" Plenum Press
• Rozantsev. "Free Nitroxil Radicals" . Plenum Press.
• Harriman. "Theoretical Foundations of ESR" . Academic Press.
• J.A.Pople. "Approximate Molecular Orbital Theory" Macgraw Hill.
• Wilmshurst. "ESR Spectrometers". Hilger.
• Hecht. "Magnetic Resonance Spectroscopy". John Wiley.
30
FIN
31