stringtranslate.com

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 передового процесса окисления . Реактив Фентона можно использовать для разрушения таких органических соединений , как трихлорэтилен и тетрахлорэтилен (перхлорэтилен). Он был разработан в 1890-х годах Генри Джоном Хорстманом Фентоном в качестве аналитического реагента. [2] [3] [4]

Обзор

Железо(II) окисляется перекисью водорода до железа(III) , образуя при этом гидроксильный радикал и гидроксид-ион . Затем железо(III) восстанавливается обратно до железа(II) с помощью другой молекулы перекиси водорода, образуя гидропероксильный радикал и протон . Конечным эффектом является диспропорционирование перекиси водорода с образованием двух разных видов кислородных радикалов с водой (H +  + OH - ) в качестве побочного продукта.

Свободные радикалы , образующиеся в результате этого процесса, затем вступают во вторичные реакции. Например, гидроксил является мощным неселективным окислителем. [5] Окисление органического соединения реагентом Фентона является быстрым и экзотермическим и приводит к окислению загрязняющих веществ в первую очередь до диоксида углерода и воды.

Реакция ( 1 ) была предложена Хабером и Вайсом в 1930-х годах как часть того, что впоследствии стало реакцией Хабера-Вайса . [6]

В качестве железного катализатора обычно используют сульфат железа(II) . Точные механизмы окислительно-восстановительного цикла неясны, также были предложены механизмы окисления органических соединений, не связанные с OH • . [ нужна цитация ] Поэтому, возможно, было бы целесообразно широко обсудить химию Фентона , а не конкретную реакцию Фентона .

В процессе электро-Фентона перекись водорода производится на месте в результате электрохимического восстановления кислорода. [7]

Реагент Фентона также используется в органическом синтезе для гидроксилирования аренов в реакциях радикального замещения , таких как классическое превращение бензола в фенол .

Пример реакции гидроксилирования включает окисление барбитуровой кислоты до аллоксана . [8] 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. [9] Реагент Фентона также широко используется в области науки об окружающей среде для очистки воды и восстановления почвы . Сообщалось, что различные опасные сточные воды эффективно разлагаются с помощью реагента Фентона. [10]

Влияние pH на образование свободных радикалов

pH влияет на скорость реакции по ряду причин. При низком pH происходит комплексообразование Fe+2также происходит, что приводит к снижению доступности Fe+2с образованием реактивных окислительных частиц (OH • ). [11] Более низкий pH также приводит к удалению • OH избытком H + , [12] и, следовательно, к снижению скорости реакции. Тогда как при высоком pH реакция замедляется из-за осаждения Fe(OH) 3 , снижая концентрацию Fe+3виды в растворе. [10] Растворимость соединений железа напрямую зависит от pH раствора . Фе+3примерно в 100 раз менее растворим, чем Fe+2в 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. [13] Более высокий pH также снижает окислительно-восстановительный потенциал • OH , тем самым снижая его эффективность. [14] 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. [15]

Биомедицинские последствия

Реакция Фентона имеет различные последствия в биологии, поскольку она включает образование свободных радикалов химическими соединениями, естественным образом присутствующими в клетке в условиях in vivo . [16] 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. [17] 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. [18]

Приложения

Реагент Фентона используется в качестве средства очистки сточных вод. [19]

Реактив Фентона можно использовать в различных химических процессах, которые поставляют гидроксильный ион или окисляют определенные соединения: [20]

Фентон-подобный реагент

Смеси Fe+2и H 2 O 2 называются реагентом Фентона. Если Fe+2заменяется Fe+3, его называют реагентом типа Фентона.

Было обнаружено , что многочисленные ионы переходных металлов и их комплексы в низших степенях окисления ( LmMn + ) обладают окислительными свойствами реагента Фентона, поэтому смеси этих соединений металлов с H 2 O 2 были названы «фентоноподобными». реагенты. [21]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Хемонд, Гарольд (2015). Химическая судьба и перенос в окружающей среде (3-е изд.). Эльзевир. п. 287. ИСБН 9780123982568.
  2. ^ 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.
  3. ^ Фентон, HJH (1894). «Окисление винной кислоты в присутствии железа». Журнал Химического общества, Сделки . 65 (65): 899–911. дои : 10.1039/ct8946500899.
  4. ^ Хайян, М.; Хашим, Массачусетс; Аль Нашеф, IM (2016). «Супероксид-ион: образование и химические последствия». Химические обзоры . 116 (5): 3029–3085. doi : 10.1021/acs.chemrev.5b00407 . ПМИД  26875845.
  5. ^ Цай, 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.
  6. ^ Хабер, Ф.; Вайс, Дж. (1932). «Über die katalyse des Hydroperoxydes» [О катализе гидропероксидов]. Naturwissenschaften . 20 (51): 948–950. Бибкод : 1932NW.....20..948H. дои : 10.1007/BF01504715. S2CID  40200383.
  7. ^ Касадо, Хуан; Форнагера, Хорди; Галан, Мария И. (январь 2005 г.). «Минерализация ароматических соединений 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.
  8. ^ Брёмме, HJ; 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. PMID  12390507. S2CID  30242100.
  9. ^ Дженнер, EL (1973). «α,α,α’,α’-Тетраметилтетраметиленгликоль». Органические синтезы .; Коллективный том , том. 5, с. 1026
  10. ^ Аб 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. doi : 10.1016/j.watres.2020.116692. PMID  33279748. S2CID  227523802.
  11. ^ Сюй, Сян-Жун; Ли, Сяо-Янь; Ли, Сян-Чжун; Ли, Хуа-Бин (5 августа 2009 г.). «Деградация мелатонина под воздействием УФ, УФ/H 2 O 2 , Fe 2+ /H 2 O 2 и процессов УФ/Fe 2+ /H 2 O 2 ». Технология разделения и очистки . 68 (2): 261–266. дои : 10.1016/j.seppur.2009.05.013.
  12. ^ Тан, WZ; Хуанг, КП (1 декабря 1996 г.). «Кинетика окисления 2,4-дихлорфенола реагентом Фентона». Экологические технологии . 17 (12): 1371–1378. дои : 10.1080/09593330.1996.9618465.
  13. ^ 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.
  14. ^ 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.
  15. ^ 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.
  16. ^ 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. PMID  28212822. S2CID  3918519.
  17. ^ Роббинс; Котран (2008). Патологическая основа заболевания (7-е изд.). Эльзевир. п. 16. ISBN 978-0-8089-2302-2.
  18. ↑ 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. 
  19. ^ 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.
  20. ^ «Реакция Фентона - Подробности реакции, реагент, применение, часто задаваемые вопросы» . БИДЖУС . Проверено 25 июля 2022 г.
  21. ^ «Реактивы Фентона». С. Гольдштейн и др. Свободный Радик Биол Мед . Октябрь 1993 года . Проверено 19 ноября 2023 г.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки