Tài liệu Nghiên cứu tính chất xúc tác oxi hoá - khử của phức chất cu(ii) với ligan và hỗn hợp ligan

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI Nguyễn Thị Thanh Thuý NGHIÊN CỨU TÍNH CHẤT XÚC TÁC OXI HOÁ - KHỬ CỦA PHỨC CHẤT Cu(II) VỚI LIGAN VÀ HỖN HỢP LIGAN Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và hóa lý Mã số: 62.44.31.01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ HOÁ HỌC Hà Nội – 2013 2 Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TSKH. NGUYỄN VĂN XUYẾN 2. TS .NGÔ KIM ĐỊNH Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Trường họp tại phòng 318 C1 trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Vào hồi giờ, ngày tháng năm 2013 Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: 1. Thư viện Tạ Quang Bửu trường Đại học Bách Khoa Hà Nội 2. Thư viện Quốc Gia Việt Nam 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Tuy có nhiều khả năng và đã đạt được nhiều ứng dụng trong thực tế nhưng xúc tác phức đồng thể oxi hoá khử vẫn còn là một 2. Mục đích Nghiên cứu một cách hệ thống, chi tiết các vấn đề có mối tương quan mật thiết với nhau, đó là: Nhiệt động học sự tạo phức xúc tác (PXT), động học và cơ chế của các quá trình phân huyer H 2O2 và oxi hoá Ind phụ thuộc vào các yếu tố ảnh hưởng. Từ đó nghiên cứu khả năng ứng dụng của phức chất tạo được vào trong thực tế. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài - Nghiên cứu sự tạo phức giữa Cu 2+ và các ligan trong các hệ đã chọn, xác định thành phần cấu tạo, độ bền, các đại lượng hoá - lý đặc trưng, chú trọng dạng phức đóng vai trò xúc tác. - Chứng minh sự phát sinh và hủy diệt gốc tự do OH, sự tồn tại các trạng thái hóa trị trung gian của ion KLCT ở dạng phức chất và chu trình oxi hóa khử thuận nghịch trong các quá trình oxi hoá. - Thiết lập mối quan hệ phụ thuộc giữa cấu tạo, thành phần và độ bền của phức chất; giữa nhiệt động học, động học và cơ chế của mỗi quá trình xảy ra trong hệ nghiên cứu. - Bước đầu đưa các kết quả thu được vào ứng dụng trong thực tiễn. 4. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án + Góp phần phát triển và hoàn thiện lý thuyết xúc tác phức đồng thể oxi hoá khử bằng phức chất của các kim loại chuyển tiếp với ligan và hỗn hợp ligan. + Tạo cơ sở khoa học cho việc ứng dụng xúc tác của phức chất giữa Cu2+ và axit Glutamic (Glu), Cu 2+ và 1,10- phenanthroline (phen), giữa Cu2+ và hỗn hợp Glu và phen vào các lĩnh vực khoa học, công nghệ, kỹ thuật và đời sống có liên quan như: công nghiệp hóa chất, thực phẩm, dược phẩm; phân tích vi lượng các vật liệu siêu sạch, vật liệu siêu dẫn, hoá học sinh thái, bảo vệ môi trường... 4. Điểm mới của luận án sẽ đạt được 1. Tạo ra các phức chất đơn ligan và phức chất hỗn hợp đa ligan có hoạt tính xúc tác cao giữa Cu 2+ với Glu, giữa Cu2+ với Glu và phen; phức trung gian hoạt động giữa PXT và H 2O2 có cấu trúc phân tử, thành phần, hoạt tính, độ chọn lọc cao, các thông số vật lý, 2 hoá lý thích hợp quyết định đến vận tốc, cơ chế của các phản ứng oxi hoá khử. 2. Đóng góp mới cho sự phát triển lý thuyết về xúc tác phức đồng thể về loại phức giữa Cu 2+ với đơn và đa ligan; làm sáng tỏ hoạt tính, độ chọn lọc của xúc tác phức đồng thể cũng như mối quan hệ mật thiết giữa xúc tác phức nghiên cứu và xúc tác sinh học. 3. Các kết quả của luận án còn là cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu khả năng ứng dụng của PXT giữa Cu 2+ với đơn và hỗn hợp ligan vào trong các vấn đề thực tiễn. 1.TỔNG QUAN 1.1. Mối quan hệ giữa xúc tác enzym và xúc tác phức Phức xúc tác của kim loại chuyển tiếp được nghiên cứu trên cơ sở mô phỏng cấu trúc, thành phần và cơ chế tác dụng kiểu tâm hoạt động của xúc tác enzym, trong đó trung tâm tạo phức là các ion kim loại chuyển tiếp còn các nhóm chức protein được thay bằng các ligan hữu cơ. Xúc tác phức được tạo ra có các ưu điểm: Cấu tạo, thành phần đơn giản, nguyên lý hoạt động, độ chọn lọc và hoạt tính xúc tác cao (ở điều kiện nhiệt độ và áp suất thường) rất gần với các chất xúc tác enzym, nhưng có độ bền nhiệt cao hơn của enzym rất nhiều nên các quá trình xúc tác có thể thực hiện được bên ngoài thế giới hữu sinh. 1.2. Thành phần, cấu tạo của phức xúc tác Phức xúc tác được điều chế dựa theo mô phỏng của enzym, nó là sự kết hợp giữa ion kim loại chuyển tiếp và ligan. Trong số các phức chất của ion kim loại thì phức của ion kim loại chuyển tiếp có tính chất xúc tác. Với những đặc điểm của chúng nên khi tương tác phối trí với các ligan (L) hoặc các chất phản ứng (S), hoặc những chất phản ứng có tính ligan mạnh (S L), ion trung tâm Mz+ còn có khả năng cho điện tử của mình. 1.3. Dạng phức đóng vai trò xúc tác Khi thay đổi nồng độ của L, trong dung dịch tạo thành nhiều dạng phức chất khác nhau và giữa chúng thiết lập cân bằng. Mỗi dạng phức chất được đặc trưng cả bằng hằng số bền lẫn thế oxi hóa-khử tương ứng và mỗi dạng phức chất khác nhau sẽ có hoạt tính xúc tác khác nhau. 1.4. Quá trình phân huỷ H2O2 và oxi hoá Ind Quá trình phân hủy H2O2 3 2H2O2  2H2O + O2 được xúc tác bằng ion kim loại chuyển tiếp M z+ hoặc phức chất của chúng [MLn] z+ được gọi là quá trình catalaza. Nếu thay một phân tử H2O2 trong phản ứng trên bằng một phân tử cơ chất S, thì phương trình sẽ thành: xuc tac H2O2 + S  phuc    H2O + P (sản phẩm oxi hoá) đây là quá trình peroxydaza. 1.5. Một số ứng dụng của xúc tác phức - Chuyển hoá cơ chất thành các sản phẩm hữu cơ trong công nghiệp - Xử lý nước thải và bảo vệ môi trường - Ứng dụng trong phân tích vi lượng; -Tẩy màu công nghiệp dệt và các vật liệu khác nhau 2.PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Các hệ nghiên cứu Các hệ sau được chọn để nghiên cứu STT Hệ 2+ 1 H2O - Cu - Glu - H2O2 hệ (1) 2+ 2 H2O - Cu - H2O2 hệ (1a) 3 H2O - Glu - H2O2 hệ (1b) 2+ 4 H2O - Cu - Glu hệ (1c) 5 H2O - Glu hệ (1d) 6 H2O - Cu2+ - Glu - Hq - H2O2 hệ (1e) 2+ 7 H2O - Cu - Glu - Ac - H2O2 hệ (1g) 2+ 8 H2O - Cu - Glu - Ind - H2O2 hệ (2) 2+ 9 H2O - Cu - Ind - H2O2 hệ (2a) 10 H2O - Glu - Ind - H2O2 hệ (2b) 2+ 11 H2O- Cu - Glu - Ind - Hq - H2O2 hệ (2c) 12 hệ (2d) H2O Cu2+ - Glu 4 - Ind - Ac H2O2 13 H2O - Cu2+ - phen - Ind - H2O2 hệ (3) 2+ 14 H2O - Cu - phen hệ (3a) 15 H2O - phen hệ (3b) 2+ 16 H2O - Cu - Glu - phen - Ind - H2O2 hệ (4) 2+ 17 H2O - Cu - Glu - phen hệ (4a) 18 H2O - Glu - phen hệ (4b) 2.2. Các thành phần tham gia phản ứng - Ion kim loại tạo phức Cu2+ - Cơ chất: Indigocarmin (Ind) - Ligan tạo phức Glu, phen - Chất ức chế Hydroquynon và - Chất oxi hóa: O2, H2O2 Axit ascobic 2.3. Các phương pháp nghiên cứu Đó là phương pháp động học, phổ hấp thụ electron, cực phổ, dãy đồng phân tử, đường cong bão hòa, phổ hấp thụ nguyên tử (AAS), phổ khối lượng (MS), sắc ký (GC), phương pháp phổ khối plasma (ICP-MS), sử dụng các chất ức chế và các chất cạnh tranh. 2.4. Thực nghiệm Tiến hành nghiên cứu phản ứng đối với các hệ xúc tác nghiên cứu như sau: lần lượt cho vào bình phản ứng các dung dịch: nước cất hai lần, Glu , điều chỉnh pH sơ bộ về pH tối ưu, cho tiếp Cu 2+. Hỗn hợp được khuấy đều, thêm nước cất hai lần để vừa đủ hỗn hợp phản ứng là 30 ml và điều chỉnh về pH thích hợp bằng dung dịch NaOH hoặc HClO4. Thời điểm cho H2O2 vào được xem là mốc bắt đầu phản ứng. Nghiên cứu quá trình oxi hoá Ind: Các bước tiến hành thực nghiệm tương tự như với phản ứng phân huỷ H2O2. Số liệu thu được cho phép: xây dựng đường cong động học biểu diễn sự phụ thuộc mật độ quang của Ind vào thời gian; xây dựng đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc tốc độ phản ứng xúc tác oxi hóa cơ chất Ind (WInd) vào C0,i; xây dựng đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc (-lgW Ind) vào (-lgC0,i) để xác định bậc phản ứng ni. 3. QUÁ TRÌNH PHÂN HUỶ H2O2 TRONG HỆ (1) 3.1. Nghiên cứu thành phần phức giữa Cu2+ và Glu 5 3.1.1. Phương pháp phổ hấp thụ electron phân tử Quét quang phổ hấp thụ e phân tử của 2 hệ H2O - Cu2+ - Glu hệ (1c) H2O - Glu hệ (1d) [Cu2+]0 = [Glu]0 = 5.10-6 M, pH=9,5, t0=250C. Phổ hấp thụ electron phân tử của phức chất xác định bằng hiệu mật độ quang của hệ (1c) (1c ) (1d ) và hệ (1d) theo bước sóng tương ứng: D  D   D  = Dphức. pH=3, t0=250C. Phổ hấp thụ e phân tử của phức chất D  D (1c )  D (1d ) = Dphức. Kết quả trên thấy rõ: Khi có ion Cu2+ và Glu thì mật độ quang của hệ thay đổi cả về giá trị và Hình 3.1: Phổ hấp thụ bước sóng hấp thụ cực đại. electron phân tử của phức chứng tỏ trong hệ (1c) đã có sự 2+ Cu và Glu 2+ tạo phức Cu với Glu, Phức có độ hấp thụ e phân tử cực đại tại  max = 517nm 3.1.2. Phương pháp dãy đồng phân tử Tiến hành đo mật độ quang của phức giữa Cu 2+ và Glu trong hệ (1c) tại  max = 517 nm, phụ thuộc vào tỉ số [Glu]0 , khi [Glu]0  [Cu 2 ]0 tổng [Cu2+]0 + [Glu]0 = 1.10-5 M không đổi, thay đổi [Glu]0 từ 0 đến 1.10-5M, tương ứng với sự thay đổi tỉ số 0 [Glu ]0 [Glu ]0  [Cu 2 ]0 bằng các giá trị 0 0 đến 1, tại pH = 9,5, t =25 C. Kết quả trên cho thấy, phổ hấp thụ eletron của phức chất đạt cực đại khi tỉ lệ [Glu ]0 = 0,5, hay [Glu]0  [Cu 2 ]0 [Cu2+]0 = [Glu]0, do đó có thể khẳng định phức chất tạo thành trong hệ (1c) có thành phần theo tỉ lệ nCu2+ : nGlu = 1:1. 3.1.3. Phương pháp đường cong bão hoà Theo dõi sự biến đổi mật độ quang của phức tại  max = 517 nm của phức chất trong hệ (1c) phụ thuộc vào tỉ lệ [Glu]0 khi [Cu 2 ]0 6 2+ -6 0 [Cu ]0 = 5.10 M; pH = 9,5; t C =250C Mật độ quang của phức xúc [Glu]0 tác đạt cực đại tại = 1. Dựa vào phương trình (2.1) với n = 5 [Cu 2 ]0 là số thí nghiệm để đạt D max = 0,311. Lập trình xác định Kb bằng ngôn ngữ Pascal thu được: Kb = 5,7.105. 3.1.5. Phương pháp cực phổ Ghi cực phổ đồ vi phân của hệ (1c) trên máy cực phổ 757 VA computrace. Điều kiện thí nghiệm ở [Cu2+]0 = 5.10-6 M, pH = 9,5; [KNO3] = 0,01M, [Glu]0 được thay đổi bằng: (0, 1, 2, 4, 5, 6, 8, 10).10-6M. Kết quả cho trong bảng 3.1: Bảng 3.1: Sự phụ thuộc  1/ 2 phức và I (mA) vào nồng độ ligan Cpt.106(M) -lgCpt 2 4 5 6 8 10 6,000 5,699 5,398 5,301 5,222 5,097 5,000 -1,197 -1,197 -1,197 -1,197 -1,197 -1,197 -1,197  1 / 2 Cu 2   1/ 2 phức -1,208 -1,219 -1,227 -1,230 -1,232 -1,235 -1,237 I (mA).103 n. 1/ 2  0,06 1 4,2 4,0 3,6 3,2 0,366 0,677 0,954 1,033 Theo công thức 2.2:  1 / 2  2,9 2,7 1,108 1,218 RT RT ln K b  p ln C L nF nF 2,5 1,287 (2.2) Dựa vào số liệu thực nghiệm trong bảng 3.1, trên phần mềm Excel, nhập các giá trị, xác định được Kb = 5,79.105. 3.2. Nghiên cứu sự tạo thành phức trung gian hoạt động 3.2.1. Phổ hấp thụ electron phân tử của phức per Quét phổ hấp thụ e phân tử của phức chất tạo thành trong 2 hệ: (1) và (1c) trong dải sóng từ 425nm đến 440nm khi: [Cu2+]0 = [Glu]0 = 5.10-6M; [H2O2]0 = 2.10-3M; pH =9,5; t0C =250C. Phổ hấp thụ e của per cho thấy, phức per có max = 434 nm và xác định được độ hấp thụ e phân tử của phức per  = 1,34.104 (lit. mol-1.cm-1). 3.2.2. Sự tạo thành và phân huỷ phức per 7 Theo dõi dự biến đổi mật độ quang của phức per tại bước sóng hấp thụ cực đại trong hệ (1). Điều kiện về nồng độ các chất như thí nghiệm ở mục 3.2.1. Kết quả cho thấy: Mật độ quang của phức per đạt cực đại trong thời gian 100 giây đầu phản ứng; khi t > 100s, mật độ quang của phức per giảm dần. Do đó có thể kết luận phức per chính là phức trung gian hoạt động với thời gian đạt nồng độ cực đại là 100s, sau khoảng thời gian này, sự phân huỷ phức trung gian hoạt động lớn hơn sự tạo thành nên nồng độ phức per giảm, làm giảm D. 3.2.3. Động học sự tạo thành phức per Tốc độ tạo thành per (Wper - Wis ) trong hệ (1): được tính theo công thức (2.10) : Wis = D ;trong đó:  D là biến thiên Dper trong .d.t thời gian t = 30s với  = 1,34.104 lit.mol-1.cm-1 3.2.3.1. Ảnh hưởng của pH tới tốc độ tạo thành phức per Trong hệ (1) được chọn cố định là: [Cu2+]0=[Glu]0=5.10-6M; [H2O2]0 = 2.10-3 M; pH =9,5; t0C =250C; thay đổi pH bằng các giá trị 7,5; 8; 8,5; 9; 9,5; 10, tương ứng với các đường từ 1 đến 6 trên hình 3.9.a. (b) (c) (a) Hình 3.11: Ảnh hưởng của pH đến tốc độ hình thành phức per a)Ảnh hưởng của pH đến mật độ quang của phức perb)Ảnh hưởng của pH đến Wperc)Sự tương quan giữa -lg[H+]0 và -lgWper Kết quả thí nghiệm cho thấy: Khi pH tăng, tốc độ hình thành phức per tăng. Phù hợp với kết quả xác định bậc phản ứng riêng phần theo nồng độ H +: n = -0,3582 như trên hình 3.11c hoàn toàn có sự phù hợp với sự tăng Wper này. 8 Khi pH > 9,5 dung dịch bắt đầu xuất hiện kết tủa vẩn đục do xuất hiện Cu(OH)2, làm mất tính đồng thể của hệ, do đó chọn pH = 9,5 để nghiên cứu tiếp. 3.2.3.2. Sự phụ thuộc tốc độ tạo thành phức per vào [Glu]0 Tương tự như ảnh hưởng của pH, : [Cu2+]0 = 5.10-6 M; [H2O2]0 = 2.10-3 M; pH = 9,5; t0C = 250C. Thay đổi [Glu]0 bằng các giá trị: (1; 2; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 15).10-6 M. Kết qủa trên cho thấy: - Trong khoảng nồng độ nhỏ (1.10-6 5.10-6 M), Wper tăng tuyến tính với [Glu]0, phù hợp với bậc phản ứng: n = 0,4035. - Khi nồng độ [Glu]0 cao (> 5.10-6 M), khi tăng [Glu]0 thì Wper tăng không đáng kể, phù hợp với bậc phản ứng: n = 0,0903. 3.2.3.3. Sự phụ thuộc tốc độ tạo thành phức per vào [Cu2+]0 Thay đổi [Cu2+]0 bằng các giá trị: (1, 3, 5, 10, 50, 100).10 -6 M. Nồng độ các chất khác như trên. Kết quả cho thấy: - Khi trong dung dịch không có Cu2+ thì Wper = 0. - Khi có Cu2+ và tăng [Cu2+]0, thì Wper tăng tuyến tính theo 2+ [Cu ]0 phù hợp với bậc phản ứng: n = 0,5156. 3.2.3.4. Sự phụ thuộc tốc độ tạo thành phức per vào [H2O2]0 [Cu2+]0 = [Glu]0 = 5.10-6 M; pH=9,5; t= 250C. Thay đổi [H2O2]0 bằng các giá trị: 1.10 -4 ; 5.10-4; 1.10-3; 2.10-3; 4.10-3; 6.10-3; 8.10-3; 1.10-2 M. Kết quả nghiên cứu cho thấy: - Trong khoảng nồng độ từ 1.10-4 4.10-3M, thì Wper tăng tuyến tính theo [H2O2]0, phù hợp với bậc phản ứng: n = 0.7588. Khi nồng độ H2O2> 4.10-3 M, theo (3.2) [Cu(Glu)] đã chuyển hết thành phức per [Cu(Glu)H2O2], nên Wper ít phụ thuộc vào [H2O2]0 điều này cũng phù hợp với bậc phản ứng n = 0,1971. 3.2.3.5. Phương trình động học Từ các kết quả nghiên cứu, thiết lập được phương trình động học của Wper Wper = 1 .[H+] 0n 1 .[Glu] n 2 . [Cu2+] n 3 .[H2O2] n 4 0 0 0 n1 = -0,3582; n4 = 0,7588 n2 = 0,4035 khi [Glu]0 5.10-6 M; khi [H2O2]0 từ 1.10-4 4.10-3 M; n2 = 0,0903 khi [Glu]0 > 5.10-6 M; n4 =0,1971 khi [H2O2]0 > 4.10-3M n3 = 0,5156; Với [Cu2+]0 = [Glu]0 = 5.10-6 M; [H2O2]0 =2.10-3 M; trong khoảng pH nghiên cứu 1 = 1,53.10-5 s-1. (mol.l-1)-0,3197. 3.3. Nghiên cứu động học quá trình phân huỷ H2O2 9 Tốc độ phản ứng catalaza (thoát khí Oxi) trong hệ (1): H2O - Cu2+ - Glu - H2O2 hệ (1) được tính theo công thức: V W O2  (2.12) t.Vdd. 24,9 WO2 là tốc độ phản ứng phân hủy H2O2; V là VO2 biến đổi trong khoảng thời gian t (s); Vdd = 30 ml là tổng thể tích hỗn hợp phản ứng. 3.3.1. Sự phụ thuộc tốc độ phân huỷ H2O2 vào pH Khi [Cu2+]0 = [Glu]0 =5.10-6 M; [H2O2]0 = 5.10-2 M; t0C = 0 25 C; áp suất khí quyển. Thay đổi giá trị pH bằng các giá trị: 7,5; 8; 8,5; 9; 9,5; 10 tương ứng với các đường từ 1 đến 6 trên hình 3.13.a (b) (c) (a) Hình 3.13: Sự phụ thuộc tốc độ phân huỷ H2O2 vào pH trong O2 a)Ảnh hưởng của pH đến Vhệ thoát (1) ra b)Ảnh hưởng của pH đến WO2c)Sự tương quan giữa -lg[H+]0 và -lgWO2 Kết quả thí nghiệm cho thấy: Khi pH tăng, thì WO2 tăng, hoàn toàn phù hợp với bậc riêng phần phản ứng: n = -0,3733. 3.3.2. Sự phụ thuộc tốc độ phân huỷ H2O2 vào [Glu]0 Nghiên cứu hệ (1) ở pH = 9,5; [Cu2+]0 = 5.10-6 M; [H2O2]0 -2 =5.10 M; t0C = 250C; áp suất khí quyển. Thay đổi [Glu] 0 bằng các giá trị: (1; 2; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 15).10-6 M. Kết quả cho thấy: - Trong khoảng nồng độ 1.10-6 5.10-6 M, WO2 tăng tuyến tính với nồng độ Glu, phù hợp với bậc phản ứng: n = 0,8068. - Khi [Glu]0 > 5.10-6M, sự tăng [Glu]0 không ảnh hưởng nhiều tới VO2 cũng như WO2, phù hợp với bậc phản ứng: n = 0,4502. 3.3.3. Sự phụ thuộc tốc độ phân huỷ H2O2 vào [Cu2+]0 10 2+ Thay đổi [Cu ]0 bằng các giá trị: (1, 5, 10, 50, 100).10 -6 M, các điều kiện khác như mục 3.3.1. Kết quả cho thấy: Khi [Cu2+]0 tăng, VO2 cũng như WO2 tăng theo, phù hợp với bậc phản ứng n = 0,3162. 3.3.4. Sự phụ thuộc tốc độ phân huỷ H2O2 vào [H2O2]0 Thay đổi [H2O2]0 bằng các giá trị: (1, 2, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10).10-2 M các điều kiện khác như các thí nghiệm trên. Kết quả - Trong khoảng nồng độ H2O2 thấp (1.10-4 6.10-2)M, thì O2 W tăng tuyến tính theo [H2O2]0 ứng với bậc phản ứng n = 0,9434. - Khi nồng độ H2O2 đủ lớn (>6.10-2 M), để chuyển gần như hết [CuGlu] thành phức per thì Wper ít phụ thuộc vào [H2O2]0, ứng với bậc phản ứng n = 0,3068. 3.3.5. Phương trình động học quá trình phân huỷ H2O2 WO2 =  2 .[H+] 0n .[Glu] 0n 1 2 . [Cu2+] n 3 .[H2O2] n 4 0 0 n1 = -0,3733; n2 = 0,3413; khi [Glu]0 5.10-6 M; n2 =0,0587 khi [Glu]0 > 5.10-6 M; n3 = 0,3162; n4 = 0,9434 khi [H2O2]0  6.10-2 M; n4 = 0,3068 khi [H2O2]0 > 6.10-2 M.  2 là hằng số tốc độ hiệu dụng của quá trình phân huỷ H2O2. Với [Cu2+]0 = [Glu]0 = 5.10-6 M; [H2O2]0 = 2.10-3 M; trong khoảng pH nghiên cứu  2 = 9,47.10-4 s-1. (mol.l-1)0,0687. 3.4. Cơ chế quá trình phân huỷ H2O2 3.4.1. Sự phát sinh gốc tự do OH. 3.4.1.1. Ảnh hưởng của chất ức chế Hq đến tốc độ phân huỷ H2O2 Thêm Hq vào hệ (1) ta được hệ (1e): H2O - Cu2+ - Glu - Hq - H2O2 hệ (1e) với pH = 9,5; [Cu2+]0 = [Glu]0 =5.10-6 M; [H2O2]0 =5.10-2 M; t0C = 250C. Thay đổi [Hq]0 bằng các giá trị: (0; 1; 2; 3; 4; 6; 8; 10).10 -5 M, tương ứng với các đường từ 1 đến 8 trên hình 3.17a. 11 (a) (b) Hình 3.19: Ảnh hưởng của [Hq]0 đến quá trình catalaza a) Ảnh hưởng của pH đến thể tích khí Oxi thoát ra Sự biến đổi mật độ quang của Hq ([Hq] 0=10-4M) Kết quả cho thấy: Khi tăng [Hq] 0, thì VO2 cũng như WO2 giảm dần vì b) Hq + HO.   Sản phẩm (3.6) Hq + HO đã làm giảm [HO.] tham gia vào giai đoạn tạo O 2, nên VO2 giảm và do đó WO2 giảm đi theo chiều tăng [Hq] 0. Đồng thời Hq bị tiêu hao dần như hình 3.17b. Kết quả trên chứng tỏ trong quá trình phản ứng đã sinh ra gốc tự do HO . 3.4.1.2. Ảnh hưởng của chất ức chế Ac đến tốc độ phân huỷ H2O2 Kết quả nghiên cứu cho thấy sự ảnh hưởng của Ac tương tự như Hq. 3.4.2. Sự chuyển đổi trạng thái hoá trị của Fe2+ Ghi cực phổ đồ bằng phương pháp cực phổ vi phân cho 2 hệ (1) và (1c) với [Fe2+]0 = [DETA]0 = 1.10-4 M; [H2O2]0 = 5.10-2 M; t0 = 250C. Kết quả thu được trên hình 3.19. . Hệ (1c)- đường 1; Hệ (1): tại t = 20(s) - đường 2; 50(s) - đường 3; 80(s) - đường 4; 100 (s)- đường 5; 120(s) - đường 6; 150(s) - đường 7; 180(s)-đường 8. Hình 3.19: Sự chuyển trạng thái hoá trị của Fe2+ trong hệ (1) 12 Bảng 3.2: Sự biến đổi I (.103mA) của các phức chất Cực phổ đồ trên hình 3.20 cho thấy, trong hệ (1c) chỉ có 1 pic duy nhất của [CuGlu] với  1 / 2 = -1,230V như trong mục 1.1.3 đã chứng minh. Trong hệ (1), xuất hiện thêm 2 píc mới của phức [CuGlu(H2O2)] với  1 / 2 = -0,959V và [CuGlu]+ với  1 / 2 = -0,528V. Ngoài ra, trong quá trình phản ứng còn cho thấy rõ sự tăng và giảm nồng độ của 2 dạng phức [CuGlu(H2O2)] và [CuGlu]+, đến 180 giây (đường 8) thì trong dung dịch chỉ có [CuGlu], xúc tác được phục hồi hoàn toàn theo (3.5). 3.4.3. Tốc độ sinh mạch của quá trình phân huỷ H2O2 [ In]0 Wis = f (2.9) i Wis là tốc độ sinh mạch của quá trình phân huỷ H2O2 ( WiO,TN ). 2 [In]0 là nồng độ ban đầu của chất ức chế  i là chu kì cảm ứng tương ứng O 3.4.3.1. Sự phụ thuộc của Wi,TN vào pH [Ac]0 = 1.10-4M, đủ lớn để xuất hiện chu kì cảm ứng  . 2+ [[Cu ]0 = [Glu]0 =5.10-6 M; [H2O2]0 =5.10-2 M; [Ac]0 = 1.10-4 M; t = 250C. Thay đổi pH = 7,5; 8; 8,5; 9; 9,5; 10. Kết quả cho thấy: Khi 2 pH tăng, WiO, TN tăng. Điều đó được giải thích tương tự như sự phụ 2 thuộc Wper, WO2 vào pH, ứng với bậc phản ứng n = -0,4098. O 3.4.3.2. Sự phụ thuộc của Wi,TN vào [Glu]0 [Glu]0 bằng các giá trị: (1; 2; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 15).10-6 M. Kết quả cho thấy: O2 - Trong khoảng [Glu]0 (1.10-6 5.10-6 M), Wi , TN tăng mạnh khi tăng [Glu]0. phù hợp với bậc phản ứng: n = 0,8068; 2 - [Glu]0 > 5.10-6 M: khi tăng [Glu]0 thì WiO, TN tăng chậm, phù 2 hợp với kết quả xác định bậc phản ứng riêng phần theo: n = 0,4502. O 3.4.3.3. Sự phụ thuộc của Wi,TN vào [Cu2+]0 2 13 2+ Thay đổi [Cu ]0 bằng các giá trị: (0,1, 1, 5, 10, 50, 100).10-6 O2 M. Kết quả cho thất [Cu2+]0 tăng thì Wi , TN tăng tuyến tính theo 2+ [Cu ]0. Có sự phù hợp với bậc phản ứng n = 0,337. O 3.4.3.4. Sự phụ thuộc của Wi,TN vào [H2O2]0 Thay đổi [H2O2]0 bằng các giá trị: (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10).10-2 M. Kết quả cho thấy khi [H2O2]0 = 1.10-2  6.10-2M, thì 2 WiO, TN tăng tuyến tính theo [H2O2]0 ứng với bậc phản ứng n = 0,9484. 2 O 2 Khi [H2O2]0 >6.10-2M, Wi , TN ít phụ thuộc hơn vào [H2O2]0 ứng với bậc phản ứng n = 0,6578. O 3.4.3.5. Phương trình động học Wi,TN 2 2 = WiO, TN  3 .[H+] 0n 1 .[Glu] n 2 . [Cu2+] n 3 .[H2O2] n 4 0 0 0 n1 = -0,4098; n2 = 0,3078 khi [Glu]0  5.10-6 M; n2 = 0,1320 khi [Glu]0 > 5.10-6 M; n3 = 0,337 n4= 0,9484 khi [H2O2]0 thuộc (1.10-4 4.10-3) M; n4 = 0,6578 khi [H2O2]0 > 4.103 M.  3 là hằng số tốc độ hiệu dụng của quá trình sinh mạch, được tính qua ngôn ngữ lập trình JAVA. Với [Cu2+]0 = [Glu]0 = 5.10-6 M; [H2O2]0 =2.10-3 M; trong khoảng pH nghiên cứu  3 = 2,53.10-4 s-1 (mol.l-1)-0,0076. 3.4.4. Năng lượng hoạt hóa của quá trình phân huỷ H2O2 3.4.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến tốc độ phản ứng phân huỷ H2O2 Nồng độ các chất trong hệ (1) được chọn nghiên cứu là: pH = 9,5; Cu2+]0 = [Glu]0 =5.10-6 M [H2O2]0 =5.10-2 M; áp suất khí quyển. Thay đổi T(K) = 283, 288, 293, 298, 303, 308. Kết quả cho thấy khi tăng nhiệt độ thì thể tích Oxi thoát ra tăng theo. 3.4.4.2. Năng lượng hoạt hoá của quá trình phân huỷ H2O2 Từ phương các kết quả thí nghiệm, xác định được tại 303K k.102 (s-1) 3,3 S (kcal/mol) E*(kcal/mol)  (kcal/mol) 8,46 7,858 G (kcal/mol) K* 14 -39,41 19,799 5,22.10-15 3.4.4.2 Chu trình oxi hoá khử thuận nghịch và sơ đồ cơ chế - Trong quá trình phản ứng, có sự chuyển dịch trạng thái oxi hoá của Cu2+ sang Cu3+ dưới dạng phức xúc tác và quá trình phục hồi Cu3+ thành Cu2+ nhờ chất khử . O2- Trong phản ứng có sinh gốc tự do HO ., là tác nhân oxi hóa mạnh. Trên cơ sở đó, thiết lập chu trình oxi hoá khử thuận nghịch: Từ các kết quả trên, có thể tính độ dài của chuỗi như sau: 2  = WO2/ WiO, TN khi các điều kiện nghiên cứu không đổi pH = 9,5; 2+ [Cu ]0 = [Glu]0 =5.10-6M; [H2O2]0 = 5.10-2 M:  = 18,8.10-5 /1,1.10-5  19. Kết quả này là một bằng chứng nữa khẳng định quá trình xảy ra theo cơ chế mạch gốc [20, 80, 81]. Cơ chế phản ứng xúc tác phân huỷ H 2O2 bằng phức xúc tác [CuGlu] được đề nghị như sau: Giai đoạn sinh mạch: Cu2++ Glu2- ⇌ [CuGlu] [CuGlu]+ H2O2 ⇌ [CuGlu(H2O2)] [CuGlu(H2O2)]   [CuGlu]+ + HO. + OHGiai đoạn phát triển mạch: H2O2 + HO .   HO .2 + H2O HO . 2   .O2- + H+ [CuGlu]+ + .O2-   [CuGlu] + O2 15 Giai đoạn đứt mạch: [CuGlu] + HO .   [CuGlu]+ + HO HO. 2 + HO . 2   H2O2+ O2 [CuGlu] + HO .2   [CuGlu]+ + HO2HO . + HO .2   H2O+ O2 Khi có mặt chất ức chế In (Hq, Ac) thì giai đoạn đứt mạch còn có thêm phản ứng: HO . + In   P (sản phẩm oxi hoá) 4. NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH PEROXYDAZA TRONG HỆ(2) 4.1. Xác định chất xúc tác cho quá trình oxi hoá Ind Theo dõi sự biến đổi mật độ quang của Ind tại bước sóng hấp thụ cực đại  max = 610nm theo thời gian t(s) trong các hệ (2), (2a), (2b): điều kiện sau pH = 9,5; [Cu2+]0 = [Glu]0 = 5.10-6 M; [H2O2]0 =2.10-3 M; [Ind]0 = 2.10-4 M; t0C = 250C. Kết quả trên hình 4.1 cho thấy: - Hệ (2a), (2b) chỉ có ligan hoặc ion kim loại thì Ind không bị oxi Ind hóa (D 610 không giảm theo thời gian), điều đó cho thấy, ligan hoặc ion kim loại không có khả năng hoạt hoá H2O2 để oxi hóa được Ind và H2O2 cũng không có khả năng oxi hóa Ind. - Trong hệ (2) ngoài sự có mặt đồng thời của Cu2+, H2O2; Ind và Glu, kết quả cho thấy mật độ quang của Ind giảm mạnh, nhanh; chứng tỏ Ind bị oxi hóa mạnh bởi H 2O2 khi có mặt của phức [CuGlu]. Vậy phức [CuGlu] là chất xúc tác, hoạt hoá H2O2 để oxi hoá Ind. Điều này còn được khẳng định bởi các kết quả nghiên cứu tiếp theo về động học và cơ chế phản ứng. 4.2. Nghiên cứu động học quá trình oxi hoá Ind Tốc độ oxi hoá Ind trong hệ (2) được tính theo công thức: W Ind  D  W 0 (mol.l-1.s-1) .d.t (2.12) 16 0 W : tốc độ phản ứng khi không có xúc tác D: biến thiên mật độ quang của Ind trong khoảng thời gian t.  = 1,02.104 (l.mol-1.cm-1): hệ số hấp thụ phân tử gam của Ind. 4.2.1. Sự phụ thuộc của WInd vào pH [Cu2+]0 = [Glu]0 = 5.10-6 M; [Ind]0 = 2.10-4 M; [H2O2]0 =2.10-3 0 M; t C = 250C. Thay đổi giá trị pH bằng: 7,5; 8; 8,5; 9; 9,5; 10. Kết quả thu được trên hình 4.2 (a) (b) (c) Hình 4.2: Ảnh hưởng của pH đến quá trình oxi hoá Ind a)Ảnh hưởng của pH đến mật độ quang của Indb)Ảnh hưởng của pH đến WIndc)Sự tương quan giữa -lg[H+]0 và -lgWInd Khi pH tăng dần, thì WInd tăng dần (hình 4.2b) và phù hợp với bậc phản ứng theo H+ trong khoảng này như trên hình 4.2c: n = - 0,7473. 4.2.2. Sự phụ thuộc của WInd vào [Glu]0 Thay đổi giá [Glu]0 bằng các giá trị: (1; 2; 3; 4; 5; 6; 8; 10; 15).10-6 M. Kết qủa cho thấy: - Trong khoảng [Glu]0 nhỏ (1.10-6 5.10-6 M), WInd tăng tuyến tính với [Glu]0, phù hợp bậc phản ứng: n = 0,3667. - Khi [Glu]0 > 5.10-6 M, sự tăng [Glu]0 không ảnh hưởng nhiều tới WInd. Kết quả này cũng phù hợp với bậc phản ứng riêng phần đối với Glu trong khoảng nồng độ này: n = 0,0904. 4.2.3. Sự phụ thuộc của WInd vào [Cu2+]0 Thay đổi giá [Cu2+]0 bằng các giá trị: (1; 5; 10; 50; 100).10 -6 Ind M. Kết quả cho thấy: Khi [Cu2+]0 tăng thì D 610 cũng như WInd tăng theo, kết quả này cũng phù hợp với bậc phản ứng: n = 0,4842. 4.2.4. Sự phụ thuộc của WInd vào [H2O2]0 Thay đổi [H2O2]0 bằng: (1; 5; 10; 20; 40; 60; 80; 100).10 -4 M. Kết quả cho thấy: - Trong khoảng nồng độ H2O2 thấp (1.10-4 4.103 )M, thì WInd tăng tuyến tính theo [H2O2]0 phù hợp với kết quả xác định bậc phản ứng riêng phần theo H2O2: n = 0,7252. 17 - Khi nồng độ H2O2 đủ lớn (>4.10-3 M), thì WInd ít phụ thuộc vào sự tăng [H2O2]0. Điều này hoàn toàn phù hợp với việc xác định bậc phản ứng riêng phần theo H2O2: n = 0,1897. 4.2.5. Sự phụ thuộc của WInd vào [Ind]0 Thay đổi [Ind]0 bằng: (1; 4; 8; 10; 20; 30; 40; 50; 60).10-5 M. Kết quả cho thấy: - Khi [Ind]0 tăng từ (1 30).10-5M thì WInd tăng nhanh, phù hợp với bậc phản ứng: n = 0,9111. - Khi [Ind]0 cao hơn (  4.10-4 M) thì WInd ít phụ thuộc vào sự tăng [Ind]0, khi đó bậc phản ứng: n = 0,1499. 4.2.6. Phương trình động học WInd Wper =  4 .[H+] 0n1 .[Glu] 0n 2 . [Cu2+] 0n3 .[H2O2] 0n 4 .[Ind] 0n 5 Với n1 = -0,7473; n2 = 0,3667; n4 = 0,7252 khi [H2O2]0  4.10-3M -6 khi [Glu]0  5.10 M;n2 = 0,0904 n4 = 0,1897 khi [H2O2]0 >4.10-3M; khi [Glu]0 > 5.10-6 M; n5 = 0,9111 khi [Ind]0  3.10-4 M; n3 = 0,4842; n5 = 0,1499 khi [Ind]0 > 3.10-4 M.  4 là hằng số tốc độ hiệu dụng của quá trình oxi hoá Ind, được tính qua ngôn ngữ lập trình JAVA. Với [Cu2+]0 = [Glu]0 = 5.10-6 M; [H2O2]0 =2.10-3 M; [Ind]0 = 2.10-4 M; t0C = 250C, trong khoảng pH nghiên cứu  4 = 1,991.10-4 s-1.(mol.l-1)-0,7399. 4.3. Cơ chế quá trình oxi hoá Ind 4.3.1. Sự phát sinh gốc OH 4.3.1.1.Ảnh hưởng của chất ức chế Hq đến WInd Khi thêm các chất ức chế Hq vào hệ (2) ta được các hệ (2c): H2O-Cu2+-Glu-Ind-Hq-H2O2 hệ (2c) Các điều kiện: pH = 9,5; [Cu 2+]0 = [Glu]0 = 5.10-6 M; [H2O2]0 =2.10-3 M; [Ind]0 = 2.10-4 M; t0C = 250C, thay đổi [Hq]0 = (0; 1; 2; 4; 5; 6; 8; 10).10-4 M. Kết quả cho thấy: Khi [Hq]0 càng lớn thì mật độ quang Ind giảm càng chậm nghĩa là W Ind càng thấp. Khi [Hq] 0  8.10-5M thì xuất hiện chu kì cảm ứng, nghĩa là Ind không bị oxi hoá trong 1 khoảng thời gian  . Điều đó chứng tỏ trong quá trình phản ứng ở hệ (2), (2c) có sinh ra gốc tự do OH. 4.3.1.2 Ảnh hưởng của chất ức chế Ac đến WInd Kết quả tương tự như đối với chất ức chế Hq. 18 Qua đó có thể kết luận quá trình oxi hoá Ind bằng H2O2 được xúc tác bởi phức chất [CuGlu] có sinh ra gốc tự do OH, gốc này oxi hoá được Hq, Ac và Ind nói riêng và hợp chất hữu cơ nói chung. 4.3.1.3. Xác định hằng số tốc độ kInd + OH. - Khi sử dụng chất ức chế Hq: k1 = kInd +OH. = 9,895.108 l.mol-1.s-1; - Khi sử dụng chất ức chế Ac: k1 = kInd +OH.= 9,755.108 l.mol-1.s-1. 4.3.2.Sự chuyển đổi hoá trị của Cu2+ trong phản ứng oxi hoá Ind Thí nghiệm tương tự như sự chuyển đổi hoá trị của Cu 2+ trong phản ứng phân huỷ H 2O2. Trong quá trình xúc tác oxi hoá Ind, cũng có sự biến đổi trạng thái hoá trị của Cu2+ sang Cu3+ ở dạng phức chất với Glu, tương tự như sự biến đổi trạng thái hoá trị của Cu 2+ trong quá trình xúc tác phân huỷ H 2O2 ở mục 3.4.2. Tuy nhiên quá trình phục hồi xúc tác xảy ra nhanh hơn do trong quá trình này có thêm chất khử Ind. 4.3.3. Chu trình oxi hoá khử thuận nghịch và sơ đồ cơ chế quá trình oxi hoá Ind Phản ứng oxi hoá Ind bằng H2O2 dưới tác dụng của phức [CuGlu] có thể có cơ chế gồm 3 giai đoạn chính: Giai đoạn sinh mạch: Cu2++ Glu2- ⇌ [CuGlu] [CuGlu] + H2O2 ⇌ [CuGlu(H2O2)] [CuGlu(H2O2)]   [CuGlu]+ + HO . + OHGiai đoạn phát triển mạch: