реактив Фентона
Реагент Фентона представляет собой раствор перекиси водорода (H 2 O 2 ) и железного катализатора (обычно сульфата железа (II) , FeSO 4 ). [ 1 ] Он используется для окисления загрязняющих веществ или сточных вод в рамках усовершенствованного процесса окисления . Реактив Фентона можно использовать для разрушения органических соединений, таких как трихлорэтилен и тетрахлорэтилен (перхлорэтилен). Он был разработан в 1890-х годах Генри Джоном Хорстманом Фентоном в качестве аналитического реагента. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]
Реакции
[ редактировать ]Железо(II) окисляется перекисью водорода до железа(III) , образуя гидроксильный радикал и гидроксид-ион при этом . Затем железо(III) восстанавливается обратно до железа(II) с помощью другой молекулы перекиси водорода, образуя гидропероксильный радикал и протон . Конечным эффектом является диспропорция перекиси водорода с образованием двух разных видов кислородных радикалов с водой ( H + + ОН − ) как побочный продукт. [ 5 ]
| Фе 2+ + H 2 O 2 → Fe 3+ + ТО • + ОН − | ( 1 ) |
| Фе 3+ + H 2 O 2 → Fe 2+ + ТАМ • + Ч + | ( 2 ) |
| 2 Н 2 О 2 → НО • + ТАМ • + Н 2 О | ( чистая реакция: 1+2 ) |
образующиеся Свободные радикалы, в результате этого процесса, участвуют во вторичных реакциях. Например, гидроксил является мощным неселективным окислителем. [ 6 ] Окисление органического соединения реагентом Фентона является быстрым и экзотермическим и приводит к окислению загрязняющих веществ в первую очередь до углекислого газа и воды.
Реакция ( 1 ) была предложена Хабером и Вайсом в 1930-х годах как часть того, что впоследствии стало реакцией Хабера-Вайса . [ 7 ]
сульфат железа(II) В качестве железного катализатора обычно используют . Точные механизмы окислительно-восстановительного цикла неясны, и не-OH • Были также предложены механизмы окисления органических соединений. [ нужна ссылка ] Поэтому может быть целесообразным широко обсудить химию Фентона, а не конкретную реакцию Фентона .
В процессе электро-Фентона перекись водорода производится на месте в результате электрохимического восстановления кислорода. [ 8 ]
Реагент Фентона также используется в органическом синтезе для гидроксилирования аренов , в реакциях радикального замещения таких как классическое превращение бензола в фенол .
| C 6 H 6 + FeSO 4 + H 2 O 2 → C 6 H 5 OH + (побочные продукты) | ( 3 ) |
Пример реакции гидроксилирования включает окисление барбитуровой кислоты до аллоксана . [ 9 ] Другое применение реагента в органическом синтезе - реакции сочетания алканов. Например, трет -бутанол димеризуется с помощью реактива Фентона и серной кислоты до 2,5-диметил-2,5-гександиола. [ 10 ] Реагент Фентона также широко используется в области науки об окружающей среде для очистки воды и восстановления почв . Сообщалось, что различные опасные сточные воды эффективно разлагаются с помощью реагента Фентона. [ 11 ]
Влияние pH на образование свободных радикалов
[ редактировать ]pH влияет на скорость реакции по ряду причин. При низком pH происходит комплексообразование Фе 2+ также происходит, что приводит к снижению доступности Фе 2+ с образованием реактивных окислительных частиц (OH • ). [ 12 ] Более низкий pH также приводит к удалению • ой, избыток ЧАС + , [ 13 ] следовательно, снижается скорость его реакции. Тогда как при высоком pH реакция замедляется из-за осаждения Fe(OH) 3 , снижая концентрацию Фе 3+ виды в растворе. [ 11 ] Растворимость раствора соединений железа напрямую зависит от pH . Фе 3+ примерно в 100 раз менее растворим, чем Фе 2+ в природной воде при pH, близком к нейтральному, концентрация ионов трехвалентного железа является лимитирующим фактором скорости реакции. В условиях высокого pH также нарушается стабильность H 2 O 2 , что приводит к его саморазложению. [ 14 ] Более высокий pH также снижает -восстановительный потенциал окислительно • ОН тем самым снижая его эффективность. [ 15 ] pH играет решающую роль в образовании свободных радикалов и, следовательно, в эффективности реакции. Таким образом, продолжаются исследования по оптимизации pH и других параметров для повышения скорости реакции. [ 16 ]
Влияние рабочего pH на скорость реакции Низкий pH Образование [Fe(H 2 O) 6 ] 2+ комплекс, следовательно, уменьшая Fe 2+ для радикального поколения Уборка • OH избытком H + Высокий pH Более низкий окислительно-восстановительный потенциал • ОЙ Саморазложение H 2 O 2 из-за снижения стабильности при высоком pH. Осаждение частиц Fe(OH) 3 в растворе
Биомедицинские последствия
[ редактировать ]Реакция Фентона имеет различные последствия в биологии, поскольку она включает образование свободных радикалов химическими веществами, естественным образом присутствующими в клетке в условиях in vivo . [ 17 ] Ионы переходных металлов, такие как железо и медь, могут отдавать или принимать свободные электроны посредством внутриклеточных реакций и, таким образом, способствовать образованию или, наоборот, улавливанию свободных радикалов . Ионы супероксида и переходные металлы действуют синергетически, вызывая повреждения свободными радикалами. [ 18 ] Таким образом, хотя клиническое значение до сих пор неясно, это одна из реальных причин избегать приема добавок железа у пациентов с активными инфекциями, тогда как другие причины включают инфекции, опосредованные железом. [ 19 ]
Приложения
[ редактировать ]Реагент Фентона используется в качестве средства очистки сточных вод. [ 20 ]
Реагент Фентона можно использовать в различных химических процессах, которые поставляют гидроксильные ионы или окисляют определенные соединения: [ нужна ссылка ]
- Первая стадия реакции Фентона (окисление Fe 3+ с перекисью водорода ) используется в реакции Габера – Вейсса.
- Реактив Фентона можно использовать в реакциях органического синтеза: например, гидроксилирование аренов посредством свободнорадикального замещения.
- Превращение бензола в фенол с помощью реактива Фентона.
- Окисление барбитуровой кислоты в аллоксан.
- Реакции сочетания алканов
Фентон-подобный реагент
[ редактировать ]Смеси Фе 2+ и H 2 O 2 называются реагентом Фентона. Если Фе 2+ заменяется на Фе 3+ , его называют реагентом типа Фентона.
Многочисленные ионы переходных металлов и их комплексы в низших степенях окисления ( ЛмМн + ) обладают окислительными свойствами реагента Фентона, и, следовательно, смеси этих соединений металлов с H 2 O 2 были названы «фентоноподобными» реагентами. [ 21 ]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хемонд, Гарольд (2015). Химическая судьба и перенос в окружающей среде (3-е изд.). Эльзевир. п. 287. ИСБН 9780123982568 .
- ^ Коппенол, WH (1 декабря 1993 г.). «Столетие реакции Фентона». Свободнорадикальная биология и медицина . 15 (6): 645–651. дои : 10.1016/0891-5849(93)90168-т . ПМИД 8138191 .
- ^ Фентон, HJH (1894). «Окисление винной кислоты в присутствии железа» . Журнал Химического общества, Сделки . 65 (65): 899–911. дои : 10.1039/ct8946500899 .
- ^ Хайян, М.; Хашим, Массачусетс; Аль Нашеф, IM (2016). «Супероксид-ион: образование и химическое значение» . Химические обзоры . 116 (5): 3029–3085. doi : 10.1021/acs.chemrev.5b00407 . ПМИД 26875845 .
- ^ Тан, Чжунминь; Чжао, Пейран; Ван, Хан; Лю, Яньян; Бу, Вэньбо (2021). «Биомедицина встречает химию Фентона». Химические обзоры . 121 (4): 1981–2019. doi : 10.1021/acs.chemrev.0c00977 . ПМИД 33492935 . S2CID 231712587 .
- ^ Кай, QQ; Джотинатан, Л.; Дэн, SH; Онг, СЛ; Нг, HY; Ху, JY (2021). «Процессы АОП на основе фентона и озона для очистки промышленных сточных вод». Усовершенствованные процессы окисления для очистных сооружений . стр. 199–254. дои : 10.1016/b978-0-12-821011-6.00011-6 . ISBN 978-0-12-821011-6 . S2CID 224976088 .
- ^ Хабер, Ф.; Вайс, Дж. (1932). «О катализе гидропероксидов». естественные науки . 20 (51): 948–950. Бибкод : 1932NW.....20..948H . дои : 10.1007/BF01504715 . S2CID 40200383 .
- ^ Касадо, Хуан; Форнагера, Хорди; Галан, Мария И. (январь 2005 г.). «Минерализация ароматических веществ в воде с помощью электрофентоновой технологии с использованием солнечного света в пилотном реакторе» . Экологические науки и технологии . 39 (6): 1843–1847. Бибкод : 2005EnST...39.1843C . дои : 10.1021/es0498787 . ПМИД 15819245 .
- ^ Бромме, Х.Ю.; Мёрке, В.; Пешке, Э. (ноябрь 2002 г.). «Превращение барбитуровой кислоты в аллоксан гидроксильными радикалами: взаимодействие с мелатонином и другими поглотителями гидроксильных радикалов». Журнал исследований шишковидной железы . 33 (4): 239–247. дои : 10.1034/j.1600-079X.2002.02936.x . ПМИД 12390507 . S2CID 30242100 .
- ^ Дженнер, Эл. (1973). «α,α,α’,α’-Тетраметилтетраметиленгликоль» . Органические синтезы ; Сборник томов , т. 5, с. 1026 .
- ^ Jump up to: а б Кай, QQ; Ли, Британский Колумбийский университет; Онг, СЛ; Ху, JY (15 февраля 2021 г.). «Технологии Фентона с псевдоожиженным слоем для очистки упорных промышленных сточных вод – последние достижения, проблемы и перспективы». Исследования воды . 190 : 116692. Бибкод : 2021WatRe.19016692C . дои : 10.1016/j.watres.2020.116692 . ПМИД 33279748 . S2CID 227523802 .
- ^ Сюй, Сян-Ронг; Ли, Сяо-Янь; Ли, Сян-Чжун; Ли, Хуа-Бин (5 августа 2009 г.). «Разложение мелатонина под действием УФ, УФ/H 2 O 2 , Fe» . 2+ /H 2 O 2 и УФ/Fe 2+ /H 2 O 2 процессов». Технология разделения и очистки . 68 (2): 261–266. doi : 10.1016/j.seppur.2009.05.013 .
- ^ Тан, WZ; Хуанг, КП (1 декабря 1996 г.). «Кинетика окисления 2,4-дихлорфенола реагентом Фентона». Экологические технологии . 17 (12): 1371–1378. Бибкод : 1996EnvTe..17.1371T . дои : 10.1080/09593330.1996.9618465 .
- ^ Шпиркович, Лидия; Джуццолино, Клаудия; Каул, Сантош Н. (1 июня 2001 г.). «Сравнительное исследование окисления дисперсных красителей электрохимическим процессом озоном, гипохлоритом и реагентом фентона». Исследования воды . 35 (9): 2129–2136. Бибкод : 2001WatRe..35.2129S . дои : 10.1016/s0043-1354(00)00487-5 . ПМИД 11358291 .
- ^ Величкова, Филиппа; Дельмас, Анри; Жюлькур, Карин; Куманова, Богдана (2017). «Гетерогенное окисление фентона и фотофентона для удаления парацетамола с использованием железосодержащего цеолита ZSM-5 в качестве катализатора» (PDF) . Журнал Айше . 63 (2): 669–679. дои : 10.1002/aic.15369 .
- ^ Цай, Циньцин; Ли, Брэндон Чуан Йи; Онг, Сай Леонг; Ху, Цзянъюн (9 апреля 2021 г.). «Применение многокритериальной искусственной нейронной сети (ИНС) при обработке промышленного концентрата обратного осмоса с помощью процесса Фентона с псевдоожиженным слоем: прогнозирование производительности и оптимизация процесса». АСУ ЭСиТ Вода . 1 (4): 847–858. doi : 10.1021/acsestwater.0c00192 . S2CID 234110033 .
- ^ Матавос-Арамян С.; Мусави, М.; Матавос-Арамян, Х.; Рузхош, С. (2017). «Дезинфекция воды, загрязненной криптоспоридиями, с помощью нового процесса Фентона». Свободнорадикальная биология и медицина . 106 : 158–167. doi : 10.1016/j.freeradbiomed.2017.02.030 . ПМИД 28212822 . S2CID 3918519 .
- ^ Роббинс; Котран (2008). Патологическая основа заболевания (7-е изд.). Эльзевир. п. 16. ISBN 978-0-8089-2302-2 .
- ^ Лапуант, Марк (14 июня 2004 г.). «Добавки железа в отделении интенсивной терапии: когда, сколько и каким путем?» . Критическая помощь . 8 (2): С37-41. дои : 10.1186/cc2825 . ПМК 3226152 . ПМИД 15196322 .
- ^ Чен, Ян-Джанг; Фань, Тан-Ю; Ван, Ли-Панг; Ченг, Та-Вуй; Чен, Шиао-Шин; Юань, Мин-Хао; Ченг, Шикун (18 февраля 2020 г.). «Применение метода Фентона для удаления органических веществ из осадка сточных вод при комнатной температуре» . Устойчивость . 12 (4): 1518. doi : 10.3390/su12041518 . ISSN 2071-1050 .
- ^ Гольдштейн, С.; Мейерштейн, Д.; Чапский, Г. (октябрь 1993 г.). «Реактивы Фентона» . С. Гольдштейн и др. Свободный Радик Биол Мед . 15 (4): 435–445. дои : 10.1016/0891-5849(93)90043-т . ПМИД 8225025 . Проверено 19 ноября 2023 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Гольдштейн, Сара; Мейерштейн, Дэн; Чапский, Гидон (1993). «Реактивы Фентона». Свободнорадикальная биология и медицина . 15 (4): 435–445. дои : 10.1016/0891-5849(93)90043-T . ПМИД 8225025 .
- Барбусинский, К. (2009). «Реакция Фентона - Споры по поводу химии» (PDF) . Экологическая химия и инженерия . 16 (3): 347–358.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Справочная библиотека Применения пероксида
- Компании, использующие реагент Фентона для химической очистки: ORIN.