24/07/2010
Universidade Federal de São Carlos
Departamento de Química
Introdução
Um elétron desemparelhado pode mover-se entre os dois
níveis de energia absorvendo, ou emitindo energia de
radiação eletromagnética de energia ε = hν de forma que a
condição de ressonância, ε = ∆E, seja observada. A
substituição de ε = hν em ∆E = geβB0 conduz à equação
fundamental da espectroscopia de EPR, que é:
Espectroscopia Paramagnética
Eletrônica:
hν = geβ B0
Conceitos Fundamentais e Aplicações
Prof. Alzir Azevedo Batista
h - Planck’s constant 6.626196 x 10-34 Joule.sec
ν - frequency (GHz or MHz)
ge - g-factor (~ 2.0 for radicals)
β - Bohr magneton (9.2741 x 10-21 erg.Gauss-1)
Bo - magnetic field (Gauss or mT)
DETERMINAÇÃO EXPERIMENTAL DE VALORES DE g
∆E = hν
ν = g β B ν = cte em todo experimento
hv
( 6 . 626076 x10 − 34 Js )( 9 . 41756 x10 9 s − 1 )
=
βB
( 9 . 27402 x10 − 24 JT − 1 ) xB
g =
Espectro de Fe+ e Co2+ em MgO a 4.2 K.
Para Fe+ B= 162.906 mT
Para Co2+ g = 4.2785
Interações Anisotrópicas
g = 4.1304
59Co
(I = 7/2)
Precursor [NH4]t-[RuCl4(dmso)2] em solução.
SOMe2
Cl
Cl
III
Ru
L'
Cl
L
Cl
L
L
L
OSMe2
L'
dmso
Campo Magnético
SOMe2
Cl
Cl
Cl
III
Ru
Cl
L'
H2O
L
-
L
L
Cl
L'
L'
d)
SOMe2
Cl
Cl
RuIII
Cl
OH 2
H2O
Campo Magnético
1
24/07/2010
Precursor [NH4]t-[RuCl4(dmso)2] no estado sólido.
Presença de água
estabilizando o
empacotamento
100
Expe rimental
Simulado
u.a.
50
0
-50
Frequenc y: 9.78360 GHz
g1= 2,3060; g2= 2,3070; g3= 2, 0180
∆H 1 = 43.0; ∆H 2= 43.0; ∆ H3= 38. 4 gauss
Lorentzi an
-100
2000
3000
4000
5000
Intensity (a. u.)
Intensity (a. u.)
O
H
H3C
S
H3C
Cl
N
H
H
[NH4]t-[RuCl4(dmso)2 ]
O
CH3
Cl(1)
N
Fig.: Estrutura cristalográfica do complexo
+
H
-
+
H
S
Cl(1)
H
CH3
Cl
Cl
Cl(3)
S
H 3C
CH 3
50
0
Cl
H
H
Intensity (a. u.)
Magnetic Field (G)
Fig.: Espectro de RPE para o complexo
[NH4]t-[RuCl4(dmso)2 ] no estado sólido.
Distância de ligação (Å)
Cl(3)
H 3C
O
S
2500
3000
3500
4000
4500
Intensity (a. u.)
N- H- Cl: 3,43
CH 3
O
mer-[RuCl3(dmso)3]
Presença de água estabilizando o empacotamento
10,46 A
Ru
Grupo espacial: R –3; Trigonal
Ru
CH3
Ru
S
A= 16,603; b= 16,603; c= 33,075 Å
Cl2
Ru-S(2): 2,33; Ru-S(3): 2,35; Ru-O: 2,07
Ru
Cl
C
(3a)
O(3)
2,45 A
H
O(3)
S
Cl
Cl(3)
Ru-Cl(1): 2,32; Ru-Cl(2): 2,34;
2,80 A
Ru-Cl(3):2,34 Å
Cl
H C
Ru
S
O
Ru
Ângulos:
Cl
Ru
7,24 A
O-Cl2: 89 graus
Experimental
Simulado
Intensidade, u.a.
O-Cl3: 84 graus
0
1000
2000
3000
4000
5000
Campo Magnético (G)
2000
Precursor [NH4]t-[RuCl4(dmso)2] em etanol com [ ] definida do metal.
2.35
mer-[RuCl3(dmso) 3]
CH2 Cl2
-3
[ ] de Ru = 10 M
em etanol.
mer-[RuCl3(dmso)2(MeOH)]
0
pó amarelo; -145 C.
dm2men2
A
t = 33 h
2.24
0
O
-1000
-2000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
4500
Campo Magnético, G
B
27h
mer-[RuCl3(dmso)2(MeOH)]
0
em MeOH; -157 C.
dmme2511
C
mer-[RuCl3(dmso)2(MeOH)]
H 3C
mer-[RuCl3(dmso) 2(MeOH)]
0
em MeOH; -128 C.
dm2men2z
1.89
Intensidade, u.a.
Intensidade, u.a.
1000
9h
S
O
CH3
H3C
Cl
Cl
Cl
Cl
H 3C
S
EtOH
CH3
S
Cl
Cl
Cl
Cl
OH
CH3
CH 2
O
CH3
0
CH2Cl2/ MeOH, a -165 C
(meohmer)
A
EtOH
W
5h
QN2Fil4
B
H 3C
4h
1800
2100
2400
2700
3000
3300
3600
3900
4200
S
CH3
Cl
Cl
Cl
OH
Campo Magnético, G
Cl
Cl
CH 3
S
CH 3
Simulado
(mermeoh1; mer1)
C
O
CH 3
3+
Ru
Cl
MeOH
O
S
O
CH3
CH3
Cl
Cl
3+
Ru
CH 3
Cl
MeOH
O
MeOH
1h
O
CH 3
CH3
Cl
Cl
Ru
CH3
CH 3
3+
0
MeOH
2000
2100
2400
2700
3000
3300
3600
3900
OH
H 3C
CH2
CH3
CH 2
Cl
MeOH
S
S
CH3
CH3
S
O
S
Intensidade, u.a.
O
mer-[RuCl 3(dmso)3] em
CH2Cl2/MeOH após 30 min.,
0
a -165 C. (meohmer1)
2500
3000
3500
Fig.: Espectros de RPE para o complexo
[NH4]t-[RuCl4(dmso)2 ] em etanol sob N2 líq.
4000
Campo Magnético, G
Campo Magnético, G
2
24/07/2010
Síntese da espécie t-[RuCl4(dmso)(im)]- a partir do complexo t-[RuCl4(dmso)2]-
Estrutura do [RuCl3(dppb)H2O] e Espectros de EPR do [RuCl3(dppb)L]
(DMSO, H2O, MeOH), em estado sólido, - 160oC
Acetona
Com cátion [(DMSO)2H]
DMSO
ou
imidazol
(CH3CH2)2NH2Cl,
a
S (1)
espécie cristaliza com imH.
Na+
Com
excesso,
precimdm (-131,9°C)
precim1 (-122°C)
precim2 (-120°C)
precim3 (-116,6°C)
2000
a
e
im
em
Cl (2)
cristalização
Cl (1)
Cl (4)
ocorre com o Na+.
Cl (3)
N(1)
Intensidade, ua
1000
0
Distâncias de ligação (Å)
-1000
-2000
2000
2500
3000
3500
4000
4500
Campo (G)
Fig.: Acompanhamento da reação entre o
complexo t-[RuCl4(dmso)2]- e o ligante
imidazol.
Ru(1)-N(1)
2.098(3)
Ru(1)-S(1)
2.2924(9)
Ru(1)-Cl(4)
2.3297(10)
Ru(1)-Cl(2)
2.3730(10)
Ru(1)-Cl(3)
2.3763(10)
S(1)-O(1)
1.489(3)
Sist. Cristalino: Triclínico
Cl
Fig.: Produto da reação entre o
complexo t-[RuCl4(dmso)2]- e o
ligante imidazol.
P
Ru
P
L= DMSO, py, MeOH
Resonance position (g-factor)
Multiplet structure (hyperfine interaction)
Lineshape (width, symmetry,…)
Intensity (amplitude/area)
Cl
Cl
Cl
Ru
N
P
Cl
N
Cl
Cl
L
Cl
P
O que é ESR?
Cl
0.5 mol 4,4´-Bipy
Ru
Ru
P
lnorganic Chemistry. Vol. 38. No. 23. /999
Caracterização de compostos paramagnéticos
P
Cl
P
P
Cl
CH2Cl2
OH2
Cl
1.1 mol 4,4´-Bipy
Cl
P
Ru
“Fingerprint” to identify the paramagnetic species
Cl
N
P
N
Cl
SL in DPPC/DLPC
I=1
60000
Intensity
30000
Lectin Mn(II)
I=5/2
g1= 2.893
g2= 2.124
0
g3= 1.685
-30000
Cu(II) – I=3/2
-60000
0
2000
4000
6000
8000
Magnetic field / G
2500
3000
O que é ESR?
Electron Paramagnetic Resonance (EPR)
Electron Spin Resonance (ESR)
Electron Magnetic Resonance (EMR)
EPR ~ ESR ~ EMR
Zeeman Effect
Ms = +½
Energy
Ms
Elétron
Nucleos
I (½)
S (½)
∆Bpp
±½
Ms
MI
+½
+½
∆E=hν=gβB
4000
Hyperfine Interaction
a
B
Ms = -½
∆E1
Magnetic field (B)
ESR: resonant absorption of microwaves by
paramagnetic systems subjected to an
external magnetic field
3350
-½
B>0
Planck’s constant 6.626196 x 10-34 Joule.sec
frequency (GHz or MHz)
g-factor (~ 2.0 for radicals)
Bohr magneton (9.2741 x 10-21 erg.Gauss-1)
magnetic field (Gauss or mT)
3300
Field
MS=±½
B=0
h
ν
g
β
B
3500
Field
JBCS, v. 17, p. 1634-1641, 2006.
hν = gβB
ν = 9.75 GHz (X-band)
ν = 1.2 GHz (L-band)
ν = 300 MHz (Radiofrequency)
-½
“doublet”
+½
(g-factor)
ν= (gβ/h)B = 2.8024 x B MHz
p/ B = 3480 G
p/ B = 420 G
p/ B = 110 G
-½
∆E2
E = gβBSz + (hA0)SzIz
E = gβBSz + (a)SzIz
(hA0 (Hz) -> a (G) via gfactor)
Selection Rule
∆MS = ±1
(electron)
∆MI = 0 (nuclear)
∆E1 = gβB + a/2
∆E2 = gβB - a/2
∆E1 – ∆E2 = a
3
24/07/2010
The EMR Experiment
Electron
Hyperfine Interaction
Nucleus
I (1)
S (½)
Ms
MI
+½
+1
+0
-1
a
MS=±½
∆E1 ∆E2 ∆E3
B
-1
+0
+1
-½
E = gβBSz + (hA0)SzIz
E = gβBSz + (a)SzIz
triplet
Selection rule
∆MS = ±1
(electron)
∆MI = 0 (nuclear)
(hA0 (Hz) -> a (G) via gfactor)
Electron Paramagnetic Resonance
Glyoxalase II –
é uma enzima hidrolítica responsável pela desintoxicação do metilglioxal
empregando glutationa.
Fe(III) – S=5/2
A few numbers:
• experiments at several temperatures
• solid- or liquid-state samples
∆E1 = gβB + a
∆E2 = gβB
∆E3 = gβB - a
Fe(III) – d5 and Fe(II) – d6
Hemoglobina
Equilíbrio entre espécies de ferro (III) em função do pH da hemoglobina
Mn(II) – Seff=1/2 , I=5/2
GLXII
H
N
H
N
HIS(E7)
HIS(E7)
N
O
O
Fe(III)
2.0
Fe(III)/Fe(II) – Antiferro coupling
Fe(III) S=5/2 and Fe(II) S=2 giving S=1/2
HIS(F8)
[H ]
Fe(III)
HIS(F8)
N
N
[H ]
+
+
+
+
4.3
9.1
N
H
H
H
H
N
H
HIS(E7)
H
N
H
GLXII + SLG
HIS(E7)
H
N
N
Fe(III)
HIS(F8)
[H ]
Fe(III)
HIS(F8)
[H ]
Fe(III)
HIS(F8)
GLXII + GSH
100
200
300
Magnetic field (mT)
400
Moreira et al, Biophys. Chem. (2005)
Campos et al, Biochemistry (2007)
4
24/07/2010
S=1/2 – axial
pH 7.0
6,1
2,0
1000
2000
3000
4000
Magnetic Field (Gauss)
2.45
2.87
6.1
pH 2.0
2000
2500
3000
3500
4.30
2.45
3.45
pH 5.0
1000
2000
3000
4000
1000
2000
3000
O
????????
H3 C
O
H3C
S CH3
Cl
Cl
CH3
O
+
NH3 N 7
P
Cl
-
H
H
OH
H
P
N
N9
O
-O
H
N
P
1
P
O
O-
Cl
NH2
N
N
N3
O
Cl
CH3
N
O
S
Cl
????????
CH3
S
Ru3+
Cl
Ru3+
Cl
-O
4000
O
N
N
L
+
Ru
P
CH3OH/NH4PF6
CH2Cl2
Cl
P
+
Cl
N
PF6
Ru
N3
NH2
O
H
OH
H
H
OH
H
N
-O
P
N
O
-O
P
O
H
H
OH
N
+
O
O-
H3C
Cl
H
H
Cl
H
S
Ru3+
CH3
S
O
Cl
CH3
S
3+
Ru
Cl
Cl
N
CH3
N
O
-O
P
O
N
H
OH
-O
N
P
O
H
H
+
N
O
OH
H
H
H
N
N
O
O
H
O-
H
OH
NH2
N
Cl
N
O
H
NH2
Cl
O
CH3
H
H
OH
H
H
H
Cl
Ressonância Magnética Nuclear - RMN
P2
Cl
N
PPh 3
P1
+
N
Cl
Ru
P2
Ru
N
N
+
Cl
PPh 3
P1
70.0
69.0
68.0
67.0
66.0
65.0
64.0
63.0
62.0
61.0
60.0
50
59.0
40
30
20
10
0 ppm
0,00015
0,00010
0,00005
Corrente (A)
O
N
N
O-
O
H3C
N
H
O
NH2
N
NH4Cl
L
Cl
0,00000
-0,00005
-0,00010
0
200
400
600
800
1000
Potencial (mV)
5
24/07/2010
Atividade citotóxica de complexos com fórmula geral [Ru(AA)(dppb)(bipy)]PF6
AA=aminoácidos; dppb=1,4-bis(difenilfosfina)butano; bipy = 2,2’-bipiridina
31P{1H}
P
2
Cl
III
Ru
Cl
NMR spectrum of [Ru(15N-Gly)(dppb)(bipy)]PF6, in CD3OD
HO
Confôrmero 2
OH
O
2
+
OH 2
P
Confôrmero 1
OH
HO
HO
Cl
O
mer-[RuCl3(dppb)(H2 O)]
OH
OH
O
mangiferin
OH
N
Cl
III
Ru
HO
"RuCl2(dppb)"
Cl
Cl
II
Ru
P
2O
O
intermediate 2
Cl
P
II
O
O
N
Cl
N
C
0,00004
0,00002
N
Cl
0,00000
trans-[RuCl2(dppb)(bipy)]
31
P{H1}, δ 33,0
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Potential, mV
Fast
OH
Ru
P
Cl
III
Ru
P
Cl
O2
2
P
+
P
-2 HCl
-2é
Fast
P
C
0,00006
O
Cl
intermediate 1
Ru
N
Cl
0,00008
2,2-bipyridine
unreacted mang. ligand
+
Cl
III
Ru
P
N
P
Ru
P
Cl
Cl
N
N
P
Ru
P
N
N
N
N
P
+
HO
O
Cl
P
0,00010
2-
Cl
P
Current, mA
P
OH
O
HO
Cl
O
31
OH
OH
O
P{H1}, δ 56,9
OH
Efeito do solvente e temperatura em RMN 31P{1H} [RuCl(dppb)(bipy)(py)]PF6
em CH2Cl2
35ºC
30ºC
20ºC
10ºC
39 ,4
39 ,2
39 ,0
38 ,8
38 ,6
38 ,4
38 ,2
38 ,0
37,8
37,6
Des lo cam en to quím ico (ppm )
0ºC
6
24/07/2010
L-histidina antes da mistura com [Au(en)Cl2]+
7
24/07/2010
Referênciais Bibliográficas
A. Carrington and A. D. McLachlan, “Introducton to Magnetic Resonance,” Wiley,
New York, 1979.
A. Abragam and B. Bleaney, “Electron Paramagnetic Resonance of Transition
Ions,”, Clarendon, Oxford, 1970.
W. Weltner, Jr., “Magnetic Atoms and Molecules,”, Van Nostrand Reinhold, New
York, 1983.
J. Weil, Ed., “Electronic Magnetic Resonance of the Solid State,” Canadian
Society for Chemistry, Ottawa, 1987.
J. R. Pilbrow, “Transition Ion Paramagnetic Resonance,” Clarendon, Oxford, 1990.
L. Kevan and R. N. Schwartz, Eds., “Time Domain Electron Spin Resonance,”
Wiley, New York (1979).
8