Các kết quả nghiên cứu cho thấy: một phức chất LnMz+ có hoạt tính
catalaza thông thờng cũng có cũng có hoạt tính peroxydaza vì các tiểu phân trung gian có khả năng oxy hoá cao OH*, LnM(z+1)+, LnM(z+2)+, … đợc tạo thành
do quá trình xúc tác phân huỷ H2O2 sẽ oxy hoá các subtrate đợc đa vào hệ
[4].
Trờng hợp trong các hệ: Mz+-H2O2-L quá trình catalaza vẫn diễn ra theo cơ chế mạch-gốc với sự phát sinh gốc tự do OH* (sơ đồ cơ chế 1.2):
- Nếu cho substrate thuộc loại (Sr) vào hệ, nh ta đã biết ở trên, quá trình peroxydaza vẫn diễn ra theo cơ chế mạch-gốc nh quá trình catalaza, chỉ khác là bây giờ thêm giai đoạn đứt mạch:
S (Sr) + OH* → P (1.21)
- Nếu cho substrate thuộc loại (SL) vào hệ thì quá trình xúc tác phân huỷ H2O2 và oxy hoá SL không còn tuân theo cơ chế mạch-gốc nh đối với Sr nữa, mà diễn ra theo cơ chế phân tử- ion trong nội cầu của phức chất nh đã đợc biểu thị ở sơ đồ cơ chế (1.6).
Trờng hợp trong các hệ: Mz+-H2O2-L quá trình catalaza diễn ra theo cơ chế phân tử-ion (thí dụ theo sơ đồ cơ chế 1.5):
- Nếu substrate là S (Sr) thì hoạt động peroxydaza của phức chất-xúc tác LnMz+ vẫn diễn ra theo cơ chế phân tử-ion (sơ đồ cơ chế 1.7):
Sơ đồ cơ chế 1.7 : [LnMz+]+H2O2 [LnM(z+2)+] + S (Sr) [LnMz+H2O2] [LnMz+] + P [LnM(z+2)+] +2OH-
Sự khác nhau giữa hai sơ đồ cơ chế hoạt động catalaza (1.5) và peroxydaza (1.7) đợc xác định bởi giai đoạn sau (giai đoạn thứ 2).
- Nếu substrate là S (SL), thì hoạt động peroxydaza của phức chất-xúc tác LnMz+ vẫn diễn ra theo cơ chế phân tử-ion, nhng có sự tạo thành phức trung gian hoạt động [LnMz+ H2O2(SL)], trong đó SL bị oxy hoá trong nội cầu. Nói cách khác quá trình oxy hoá diễn ra theo sơ đồ cơ chế 1.6.
Trờng hợp trong các hệ Mz+-H2O2-L quá trình catalaza diễn ra theo cơ chế chu trình-gốc-ion (thí dụ theo sơ đồ cơ chế 1.3):
Khi có mặt substrate không kể loại gì S (Sr) hay (SL), thì sự phân huỷ H2O2 không xảy ra theo sơ đồ cơ chế 1.3 nữa vì [LnM(z+2)+] đợc sử dụng để oxy hoá substrate (S) theo cơ chế phân tử-ion:
- Nếu S (Sr) thì hoạt động peroxydaza của phức chất-xúc tác LnMz+ sẽ diễn ra theo sơ đồ cơ chế 1.8:
Sơ đồ cơ chế 1.8 :
LnMz++ H2O2
[LnM(z+2)+] + S (Sr)
LnM(z+1)++ 2OH-
LnMz++ P
- Nếu S (SL) thì hoạt động peroxydaza của phức chất-xúc tác LnMz+ sẽ diễn ra theo sơ đồ cơ chế 1.9:
Sơ đồ cơ chế 1.9 : LnMz++ SL LnMz+ SL+ H2O2 [LnM(z+2)+(SL)] LnMz+ SL [LnM(z+2)+(SL)] + 2OH- LnMz++ P
Nh vậy, kiến thức về cơ chế nguyên tắc của quá trình catalaza là cơ sở thuận lợi cho việc chứng minh phản ứng nhiều giai đoạn nối tiếp nhau trong quá trình peroxydaza. Ngợc lại, sự khẳng định bằng thực nghiệm về cơ chế của quá trình peroxydaza lại là các bằng chứng bổ sung về sự diễn biến của quá trình catalaza theo cơ chế này hay cơ chế khác.
1.4. Vấn đề hoạt hóa phân tử O2, H2O2 bằng phức chất.
Dựa trên mô hình các chất xúc tác sinh học, ngày nay ngời ta đã và đang nghiên cứu để chế ra những hệ xúc tác phức đặc biệt là các phức-xúc tác đa nhân nhằm hoạt hoá O2 và H2O2 và nhiều phân tử nhỏ khác nh: N2; CO2; CO2; C2H2; H2O; olefin; ankan…để góp phần thúc đẩy những phản ứng phân huỷ các chất thải độc, cải tiến công nghệ, nâng cao năng suất và giảm thiểu chất thải độc hại đối với môi trờng xung quanh.
1.4.1. Hoạt hoá O2 bằng phức đa nhân LnMmz+.
Cho đến nay, vẫn còn cha thấy có một quá trình công nghệ không xúc tác nào mà oxy phân tử lại có thể oxy hoá các hợp chất hữu cơ ở nhiệt độ thấp, bởi vì giai đoạn đầu tiên của quá trình khử là không thuận lợi về mặt nhiệt động:
O2 + e → O2- (∆G0= +15,4kJ/mol)
Mặt khác, khó khăn của việc sử dụng oxy trong các quá trình công nghệ là do tính trơ động học có liên quan đến cấu trúc electron của phân tử của O2 tự
do: * 2 2 2 2 * 1 * 1 2 2 2 2 * 1 2 1 )( ) ( )( ) ( )( )( )( ) ( ) (σs σ s σ s σ s σz πx πy πx πy .
Với bậc liên kết bằng 2 và tổng spin S =1, nghĩa là ứng với trạng thái cơ bản (bền nhất) tribilet O23∑g−.
Có nhiều cách tăng khả năng phản ứng của O2 nh: tác dụng nhiệt, quang và quan trọng hơn cả là phơng pháp hoạt hoá bằng phức chất, đặc biệt là phức chất đa nhân của các kim loại chuyển tiếp, vì chính kiểu hoạt hoá này đợc thực hiện trong các hệ sinh học bằng các chất xúc tác men oxydaza, oxygenaza, có
hemeritrin) hoặc giữa hai ion Cu+ (trong hemoxianin) [38]; [39]; [49]; [50]; [59].
Dựa trên cơ sở cấu tạo và nguyên lý hoạt động của tâm hoạt động trong các chất xúc tác men nói rên, ngời ta đã nghiên cứu tạo ra các mô hình phức chất-xúc tác hai nhân tơng tự:
[(NH3)Co(II)O2Co(II)(NH3)5]4+, L = NH3 [22]
Khi phối trí với phức chất ion các kim loại chuyển tiếp, cấu trúc electron, trạng thái spin và do đó khả năng phản ứng của phân tử oxy bị thay đổi: Do tác dụng trờng tĩnh điện của ion kim loại chuyển tiếp trong phức chất, hai orbitan
phản liên kết * 1 * 1
) ( )
(πx πy có cùng một mức năng lợng trong phân tử oxy tự do
∑g−
O23 bị tách thành hai mức với hiệu năng lợng ∆E≥10220cm−1 lớn hơn năng lợng cặp đôi p của các electron. Vì vậy, cấu trúc electron ở trạng thái phối
trí sẽ là: * 2 2 2 2 * 2 * 0 2 2 2 2 * 1 2 1 )( ) ( )( ) ( )( )( )( ) ( ) (σ s σ s σ s σ s σz πx πy πx πy
Với bậc liên kết vẫn bằng 2 nhng tổng spin S = 0, nghĩa là ứng với trạng thái kích thích đầu tiên singlet (O 1∆g
2 ); trong đó mật độ electron phân bố
không đều: trên một mặt phẳng tơng tác π chứa 2 electron (π2y)(π*y)0, còn trên mặt phẳng π khác lại có đến 4 electron (πx2)(πx*)2 làm xuất hiện tuơng tác đẩy
tĩnh điện (96KJ/mol) đủ để kích thích sự chuyển trạng thái: [LFe(II)OH2 … O2...H2O Fe(II)L]4+, L = Histidin [58]
e e
Orbitan (π*y)0của phân tử O2 ở trạng thái 1∆ghoàn toàn trống nên có thể tiếp nhận electron từ obitan dxy của các ion Mz+ trong phức chất hai nhân tạo thanh liên kết π ngợc (hình 1.3).
Hình 1.3: Hoạt hoá phân tử O2 bằng phức chất hai nhân [LnM2z+]
Mức độ O2 đợc hoạt hoá tăng theo sự giảm bậc liên kết, tần số giao động hoá trị, năng lợng phân ly Ep và sự tăng độ dài liên kết của phân tử O2 do tiếp nhận 1 hoặc 2 electron vào obitan (π*y)0đợc biểu thị ở bảng 1.1.
↑ ↑ ↑↓ E ∆ 1 *) (πx (π*y)1 (π*x)2 0 *) (πy ∑g− O23 O 1∆g 2 Mz+ + + + + - - - - + + + - a 0 *) (πy b y x - + Mz+ + + - - - + - -
Bảng 1.1: Các đặc trng về độ bền của phân tử O2:
Các trạng thái O23∑g−; O 1∆g
2 ; O2-; O22- (O−O ):
Trạng thái Bậc liên kết v(cm−1) Ep(KJ/mol) RO-O(Ao
∑g− O23 2 1555 494 1,21 g O 1∆ 2 2 - - 1,22 O2- 1,5 1089 410 1,22 O22- 1 880 215 1,49
Những phức chất-xúc tác liên kết thuận nghịch với oxy phân tử [40], [58].
đợc ứng dụng để thay thế các chất chuyển oxy trong tự nhiên, đặc biệt là hemoglobin, kéo dài thời gian bảo quản máu đợc cho. Vai trò của các hệ này không chỉ giới hạn ở các vấn đề thuần tuý về sinh học và y học mà còn là nguồn cung cấp oxy tinh khiết cho các mục đích công nghệ khác nhau.
Ví dụ 10: Phức hai nhân của Co2+ với ligan là NH3 có thể liên kết thuận nghịch với oxy phân tử:
2[Co2+(NH3)6]2+ + O2 → [(NH3)6CoO2Co(NH3)5]4+ +2NH3 (1.22) Trờng hợp ngợc lại, nếu oxy phân tử đóng vai trò là chất oxy hoá thì sự phối trí phải là bất thuận nghịch, vì bằng cách đó, nh đã biết ở trên, oxy phân tử bị hoạt hoá mạnh và có khả năng oxy hoá cao. Sự kích thích O23∑g−thành
g
O 1∆
2 bằng tơng tác phối trí nh vậy không cần tiêu tốn năng lợng từ bên ngoài,
chuẩn bị điều kiện thuận lợi cho O 1∆g
Ví dụ 11: Phân tử oxy ở trạng thái cơ bản (O23∑g−) chỉ tơng tác đợc với các anken đơn giản khi tăng nhiệt độ và theo cơ chế mạch-gốc tự do, trong khi đó
g
O 1∆
2 phản ứng nhanh với anken phức tạp ngay ở nhiệt độ phòng theo cơ chế
phân tử và tạo thành các hydroperoxit không bền rồi chuyển thành sản phẩm bền [49]:
Điều quan trọng và lý thú nữa là sự phối trí đồng thời của oxy phân tử và substrate (S) với các ion kim loại Mz+ của phức LnM2z+ tạo thành phức trung gian hoạt động [LnM2z+ O 1∆g
2 S], trong đó các phân tử O2 và S đều đợc hoạt hoá và biến đổi hoá học theo cơ chế vận chuyển đồng bộ nhiều electron trong một giai đoạn trong cầu phối trí diễn ra ở điều kiện mềm với tốc độ và độ chọn lọc cao, tơng tự nh ở tâm hoạt động của các chất xúc tác men oxydaza và oxygenaza theo sơ đồ cơ chế sau [31], [34], [49], [60]:
Sơ đồ cơ chế 1.10: [LnM2z+]+ O23∑g−+S [LnM2z+O 1∆g 2 S] [LnM2z+O 1∆g 2 S] [LnM2z+]+ P + … R R CHR2 R + R R CR2 R OOH + O O
1.4.2. Hoạt hoá H2O2 bằng phức đa nhân LnMmz+:
So với O23∑g−, H2O2 có khả năng oxy hoá mạnh hơn và là sản phẩm trung gian của quá trình khử oxy phân tử thành H2O, tuy vậy để H2O2 trở thành chất oxy hoá mạnh hơn, đáp ứng đợc các yêu cầu sử dụng khác nhau, nó cần phải đợc hoạt hoá bằng phức chất-xúc tác hai nhân của các ion kim loại chuyển tiếp LnM2z+: H2O2 tơng tác phối trí và tạo phức trung gian hoạt động peroxo với LnM2z+, trong đó hai electron đợc vận chuyển trong một giai đoạn từ các orbital d của hai ion Mz+ sang orbital trống, phản liên kết *
p
σ của H2O2 theo quy tắc bảo toàn tính đối xứng của các MO, làm cho độ bền của các liên kết O-O bị giảm mạnh (đợc hoạt hoá) [51]:
Hình 1.4: Hoạt hóa phân tử H2O2 bằng phức chất hai nhân [LnM2z+]
Kết quả của quá trình hoạt hóa H2O2 là tạo ra các sản phẩm trung gian: đó là các tiểu phân hoạt động OH*, O*−
2 , HO2*... có khả năng oxy hoá rất mạnh nhiều hợp chất ngay ở điều kiện thờng.
Theo [36], nếu sự phân huỷ H2O2 diễn ra trong nội cầu với sự vận chuyển 2 electron trong một giai đoạn thì sản phẩm sơ cấp sẽ là O 1∆g
2 hoặc phức chất
của nó với ion kim loại. Mz+ + + - - y x Mz+ + - + - + - + - dxy * p σ
Nh vậy, trong các hệ xúc tác men cũng nh trong các hệ xúc tác hoá học nói trên, điều kiện cần để H2O2 đợc hoạt hoá là tạo thành các phức trung gian hoạt động [LnM2z+H2O2], [LnM2z+HO2-] hoặc [LnM2z+O22-], trong đó H2O2, HO2- hoặc O22- có định hớng thích hợp và liên kết phối trí với hai ion Mz+ trong nội cầu của phức chất-xúc tác LnM2z+, chuẩn bị điều kiện thuận lợi cho sự trao đổi, vận chuyển 2 electron trong một giai đoạn, phù hợp với cơ chế hoạt hoá H2O2 bằng phức hai nhân (hình 1.4).
Nếu phức chất trung gian đó tơng tác với phân tử substrate S (thay vì phân tử H2O2 thứ hai thì trong hệ sẽ diễn ra quá trình peroxydaza đợc mô tả bằng phản ứng tổng cộng (1.20). Đặc biệt nếu có sự phối trí đồng thời của các phân tử H2O2 và S với LnM2z+ thì sẽ dẫn tới sự tạo thành phức trung gian hoạt động [LnM2z+H2O2S], trong đó các phân tử H2O2 và S cùng đợc hoạt hoá với sự trao đổi vận chuyển 2 electron đồng bộ trong một giai đoạn giữa các chất phản ứng H2O2 và S qua 2 ion Mz+ của phức xúc tác LnM2z+ . Do vậy mà quá trình peroxydaza diễn ra trong cầu phối trí ở điều kiện mềm với tốc độ và độ chọn lọc cao theo cơ chế phân tử:
Sơ đồ cơ chế 1.11: (vận chuyển 2 electron) [LnMz+]2 + H2O2 + S [LnM2z+ H2O2SL] [LnM2z+H2O2S] [LnM2z+] + P + 2OH- 2e 2e
Chơng 2
Cơ sở thực nghiệm và phơng pháp nghiên cứu 2.1. Các hệ xúc tác đợc chọn để nghiên cứu.
Để đạt đợc các mục đích nh đã đề ra trong phần tổng quan, chúng tôi chọn các hệ xúc tác sau để nghiên cứu:
Hệ 1: H2O – Co2+ – H4L – Ind – H2O2:
(với [Co 2+]0 ≤ 10-5M)
Hệ 2: H2O – Co2+ – H4L – Ind – H2O2
(với [Co 2+]0 = 10-4ữ 2.10-3M)
Hệ 3: H2O - Co2+ – H4L – Ind – In – H2O2
(với In: là chất ức chế axit Ascorbic (Ac) hoặc Hydroquinon (Hq))
Hệ 4: H2O – Ni2+ – H4L – Ind – H2O2
(với [Ni 2+]0 = 5.10-3M)
Hệ 5: H2O - Co2+ – H4L – Ind – H2O2
(với [Co 2+]0 = 5.10-3M)
Hệ 6: H2O - Co2+ – Ni2+ – H4L – Ind – H2O2
(với [Co2+]0 = [Ni2+]0 = 2,5.10-3 M)
Ion kim loại tạo phức Co2+:
Ion Co2+: với thế oxy hoá-khử ϕCo3+/Co2+ = 1,81V, nên ở trong dung dịch ion Co2+ khá bền còn ion Co3+ rất kém bền, ion Co3+ chỉ tồn tại trong một số dạng phức chất [5]. Mặt khác, ion Co2+ tham gia tạo phức chất - tâm hoạt động
của một số chất xúc tác men [55]. Do đó, có thể dự đoán: phức chất nhân tạo giữa Co2+ với ligan thích hợp và ở điều kiện thích hợp sẽ là phức chất-xúc tác.
Ion Co2+ có thể đổi số oxy hoá một cách thuận lợi với cơ chế vận chuyển một hay nhiều electron trong một giai đoạn khi tham gia các phản ứng xúc tác oxy hoá- khử [8].
Ligan là axit citric H4L:
Axit citric đợc ký hiệu là H4L: là axit 4 nấc với các giá trị phân ly: pK1, pK2, pK3, pK4 tơng ứng bằng: 2,68; 4,15; 5,44 và 11,6 [11]. Ngoài ra, H4L có khả năng tạo phức với các ion Fe3+, Co2+, Mn2+, Cu2+…[1], [2], [9], [10], [11], [12]
Chất oxy hoá H2O2:
+ Phản ứng oxy hoá các substrate (S) bằng H2O2 dới tác dụng của phức chất-xúc tác của các ion kim loại chuyển tiếp là mô hình thích hợp nhất cho việc nghiên cứu, thiết lập các quy luật động học và cơ chế của quá trình xúc tác đồng thể oxy hoá-khử phức tạp hơn nhiều [11].
+ Dới tác dụng hoạt hoá của phức chất-xúc tác, thì H2O2 sẽ trở thành chát oxy hoá mạnh-nguồn phát sinh gốc tự do OH* và O 1∆g
2 , thuần khiết về
mặt sinh thái học [10].
+ Thuận tiện cho việc theo dõi tốc độ của quá trình xúc tác oxy hoá-khử bằng cách đo thể tích khí O2 thoát ra (trong quá trình catalaza) hoặc sự biến đổi mật độ quang của cơ chất mang màu (trong quá trình peroxydaza).
HOOC – CH2 – C – CH2 – COOH OH
Cơ chất Indigocamin (Ind):
Cấu tao của Ind (Indigocamin –5, 5’- disunfonat Natri)
Bảng 2.1: Một số tính chất trng của Ind [8] ) (V ϕ kInd +HO2* (lM-1s-1) kInd + OH* (lM-1s-1) max λ (Nm) max ε (lM-1cm-1) - 0,125 8,5.103 17,8.109 612 1,02.104
2.2. Các phơng pháp nghiên cứu.
Quá trình nghiên cứu đợc thực hiện trên cơ sở chọn lọc, phối hợp các ph- ơng pháp hoá lý và vật lý sao cho thích hợp với điều kiện xúc tác, tính dặc thù và nội dung của mỗi vấn đề đợc nghiên cứu. Nh đã nêu ở phần tổng quan, cơ chế của các quá trình xúc tác đồng thể oxy hoá-khử cũng rất phức tạp, đa dạng. Để thiết lập cơ chế của quá trình trong hệ xúc tác đã chọn, cần phải nghiên cứu:
Về mặt định tính (cơ chế nguyên tắc): cần xác định, chứng minh dạng phức chất đóng vai trò chất xúc tác (phức đơn nhân, đa nhân, phức chất đã bão hoà hay cha bão hoà phối trí…) các tiểu phân trung gian (phức trung gian hoạt
động và không hoạt động, các gốc tự do OH*, HO2*…), cơ chế vận chuyển
electron …
Về mặt định lợng: Đòi hỏi phải biết đợc hằng số tơng tác của các tiểu phân trung gian hoạt động trong đó có gốc tự do OH*, HO2* (O2* -)…với các substrate (S). NaO3S NH C C O NH C C O SO 3Na
Với các nội dung trên, trong phạm vi luận văn này chúng tôi đã sử dụng các phơng pháp sau:
+ Phơng pháp quang phổ hấp thụ electron phân tử [3].
+ Phơng pháp động học: xác định các biểu thức động học tốc độ phản ứng xúc tác, sự tạo thành phức chất xúc tác đơn nhân hoặc đa nhân (dựa