Tính chất peroxydaza của hệ: H2O - Co2+ H4L - Inđigocamin - H2O2

ba loại cơ bản: xúc tác đồng thể, xúc tác dị thể và xúc tác sinh học (xúc tác bằng enzym). Cho đến nay, nhiều công trình khoa học đã khẳng định rằng các enzym là các cao phân tử protein chứa các tâm hoạt động là các phức đa nhân (Cluster) của các ion kim loại chuyển tiếp. Xúc tác bằng enzym được coi là mô hình xúc tác hoàn hảo nhất vì tâm hoạt động trong các enzym cho phép vận chuyển đồng bộ nhiều electron trong một giai đoạn, mặt khác kết hợp với sự tối ưu cả về cấu trúc và năng lượng nên quá trình xúc tác men có thể diễn ra ngay ở nhiệt độ và áp suất thường với tốc độ và độ chọn lọc rất cao, không phải dùng đến các chất oxy hoá hoặc chất khử mạnh. Quá trình xúc tác dị thể đã được nghiên cứu và sử dụng từ rất lâu. Tuy nhiên ngoài những ưu điểm vốn có thì quá trình xúc tác dị thể vẫn còn tồn tại một số nhược điểm như: quá trình xúc tác phải tiến hành ở điều kiện khắc nghiệt (nhiệt độ cao, áp suất lớn), độ chọn lọc thấp, tiêu tốn nhiều năng lượng, chi phí cho thiết bị lớn, giá thành sản phẩm cao, tạo ra nhiều sản phẩm phụ và chất thải độc gây ô nhiễm môi trường… Vì vậy, ngày nay xu hướng nghiên cứu và sử dụng quá trình xúc tác đồng thể đã và đang trên đà phát triển mạnh mẽ, đặc biệt là quá trình xúc tác đồng thể bằng phức chất của các ion kim loại chuyển tiếp là hướng khoa học mới đang được đầu tư nghiên cứu rộng rãi. Các phức xúc tác phức được nghiên cứu dựa trên cơ sở mô phỏng theo thành phần, cấu trúc và cơ chế tâm hoạt động trong các chất xúc tác men, trong đó các ion trung tâm tạo phức phức vẫn là các ion kim loại chuyển tiếp, còn chức năng của protein được thay thế bằng các ligan hữu cơ có các nhóm chức giống protein. Phức chất-xúc tác được tạo thành như vậy có nguyên lý hoạt động, hoạt tính và độ chọn lọc ở mức độ nào đó gần với các chất xúc tác men. Mặt khác, ưu điểm của các phức xúc tác nhân tạo là có cấu tạo, thành phần đơn giản hơn các chất xúc tác men rất nhiều, nên quá trình xúc tác có khả năng được thực hiện ở bên ngoài thế giới hữu sinh (trong công nghiệp, trong thực nghiệm…). Trong những năm gần đây nhờ sự phát triển mạnh của một số ngành như: sinh vật học phân tử (phát hiện ra các chất xúc tác sinh học mới), các tiến bộ nhảy vọt trong lĩnh vực hoá học phối trí (tổng hợp được nhiều phức chất mới, phát triển lý thuyết trường ligan, phương pháp obitan phân tử (MO)…) cũng như nhờ sự hoàn thiện và ứng dụng ngày càng có hiệu quả các phương pháp vật lý và hoá lý hiện đại, thích hợp vào việc nghiên cứu quá trình xúc tác đã làm cho công tác nghiên cứu quá trình xúc tác bằng phức chất của các ion kim loại chuyển gặp rất nhiều thuận lợi. Vì vậy, việc ứng dụng xúc tác phức không chỉ hạn chế trong những phản ứng tổng hợp hoá học thông thường mà còn có khả năng vươn xa hơn đến những mục đích tối ưu hoá dây chuyền sản xuất, tạo ra “môi trường sạch”, tức là tạo ra dây chuyền sản xuất khép kín, có năng suất cao, ít sản phẩm phụ và giảm tối đa gây ô nhiễm môi trường. Với mục đích giảm thiểu chất độc hại trong các quá trình công nghệ thì việc sử dụng O2, H2O2, O3 như những chất oxy hoá cho các phản ứng hoá học là cách lựa chọn tin cậy (là những chất oxy hoá rẻ, có thể thay thế các chất oxy hoá mạnh, độc hại và đắt tiền, tạo ra những sản phẩm thuần khiết về mặt sinh thái). Mặc dù vậy nhưng việc sản xuất O3 lại không dễ dàng và bản thân O3 cũng là khí rất độc, còn các phân tử O2 và H2O2 lại khá trơ về mặt động học. Do đó, vấn đề hoạt hoá các phân tử O2 và H2O2 đã từng là đối tượng nghiên cứu của rất nhiều công trình trên thế giới mà trong đó hoạt hoá các phân tử này bằng các phức chất, đặc biệt là phức chất đa nhân (đồng hạch hay dị hạch) của các kim loại chuyển tiếp tỏ ra ưu việt hơn, vì chính kiểu hoạt hoá này được thực hiện trong các hệ sinh học bằng các chất xúc tác men oxydaza, oxygenaza. Vì vậy, việc nghiên cứu và chế tạo ra các hệ xúc tác phức thích hợp, có khả năng hoạt hoá các phân tử O2 và H2O2 cũng là vấn đề quan trọng, cần được đầu tư nghiên cứu. Mặt khác, như chúng ta đã biết: xúc tác phức đồng thể được xem như loại xúc tác mới mẻ, kết hợp với sự đa dạng và phức tạp của các đối tượng nghiên cứu nên vẫn còn tồn tại nhiều vấn đề lớn thuộc về cở sở lý thuyết của quá trình xúc tác bằng phức chất vẫn chưa được nghiên cứu và giải quyết một cách hệ thống, đồng bộ và sâu sắc: nhiệt động học và sự tạo phức, động học và cơ chế của quá trình xúc tác, bản chất hoạt tính và độ chọn lọc của phức chất xúc tác, các tương tác phân tử, tương tác phối trí, hàng loạt các yếu tố ảnh hưởng khác nhau làm thay đổi cấu tạo, tính chất vật lý và hoá lý của các cấu tử trong hệ có thể dẫn đến sự xuất hiện hoặc triệt tiêu hiệu ứng xúc tác. Mặt khác, kết hợp với vấn đề bản chất xúc tác vẫn chưa được làm sáng tỏ, nhiều thông số động học cơ bản chưa được xác định, còn thiếu các kiến thức về qui luật động học và cơ chế của quá trình xúc tác… Đây chính là nguyên nhân dẫn đến sự phát triển của lý thuyết xúc tác vẫn chưa theo kịp và đáp ứng được yêu cầu của thực tiễn. Vì vậy, tiếp tục nghiên cứu quá trình xúc tác đồng thể đặc biệt là xúc tác bằng phức chất của các ion kim loại chuyển tiếp là vấn đề cấp thiết, cần được đầu tư nghiên cứu một cách nghiêm túc và có hệ thống. Xuất phát từ những vấn đề nêu trên, chúng tôi chọn đề tài để nghiên cứu là: “Tính chất peroxydaza của hệ: H2O - Co2+- H4L - Inđigocamin - H2O2” Chương 1 Tổng quan xúc tác đồng thể oxy hoá-khử bằng phức chất các ion kim loại chuyển tiếp 1.1.Vai trò của sự tạo phức đến tính chất xúc tác của ion kim loại Mz+. Có một số ion kim loại ở dạng tự do không là chất xúc tác nhưng khi chuyển vào phức chất thì lại thể hiện hoạt tính xúc tác vì khi chuyển ion kim loại vào phức chất, qui luật động học và cơ chế của các quá trình oxy hoá-khử bị thay đổi một cách cơ bản. Trong số các phức chất của ion kim loại thì hầu hết phức chất của ion kim loại chuyển tiếp có tính chất xúc tác [4]. Sự tạo phức xúc tác phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau như: bản chất của ion kim loại, bản chất của các ligan (L), các chất cùng tương tác trong môi trường phản ứng, tỷ lệ nồng độ các chất, các điều kiện nhiệt độ, áp suất, pH …trong đó bản chất của ion kim loại và ligan đóng vai trò quan trọng nhất, quyết định hoạt tính xúc tác của phức. 1.1.1. Vai trò của ion kim loại chuyển tiếp trong phức chất xúc tác. Về mặt cấu trúc điện tử, các kim loại chuyển tiếp nhóm d có những đặc điểm cơ bản sau [6]: + Trong các nguyên tử kim loại chuyển tiếp nhóm d, ở bất kỳ trạng thái oxy hoá nào thì các orbital d cũng mới chỉ được điền đầy một phần số electron (trạng thái chưa bão hoà) và các electron trên orbital (n-1)d có thể được chuyển nhượng + Năng lượng các orbital (n-1)d, ns và np xấp xỉ nhau nên khả năng lai hóa giữa các orbital lớn. Vì vậy, theo phương pháp orbital phân tử (phương pháp MO), khi phối trí với ligan (L) hoặc với cơ chất có tính ligan (SL) thì Mz+ có thể nhận vào orbital d(x2-y2) trống các electron được chuyển đến từ L (hoặc SL) để tạo thành liên kết s. Mặt khác, ion Mz+ còn có khả năng cho electron. Đó là sự chuyển electron ngược lại từ orbital dxy của Mz+ sang orbital phản liên kết của L (hoặc SL). Kết quả làm yếu liên kết hoá học trong phân tử của L (hoặc SL), quá trình hoạt hoá như vậy tương tự như quá trình hoạt hoá bằng các xúc tác sinh học và chính điều này đã giải thích khả năng hoạt hoá các hợp chất của phức xúc tác, làm cho các phản ứng xúc tác oxy hoá-khử có thể diễn ra ở điều kiện mềm (to, p thường) với tốc độ và độ chọn lọc cao [48], [55]. Mz+ + + + + - - - - + + + - - - a b b y x dxy dx2-y2 Ví dụ1: Để minh họa cho hai loại liên kết này, chúng ta xét trường hợp hoạt hóa phân tử C2H4 bằng phức chất [PtCl3]- (được thể hiện qua hình 1.1) [42], [56]. Hình 1.1: Liên kết phối trí giữa Pt2+ và C2H4. a. Liên kết s b. Liên kết p ngược. Ta thấy có sự phân bố lại điện tử trên phân tử phức [PtCl3C2H4]-: điện tử dịch chuyển từ orbital p của C2H4 sang orbital d(x2-y2) của Pt2+ tạo thành liên kết s. Trong khi đó, điện tử cũng được dịch chuyển từ orbital dxy sang orbital p* của C2H4 tạo thành liên kết kết p ngược. Sự phân bố lại điện tử làm cho liên kết C=C yếu đi (độ giảm tần số giao động trong phổ hồng ngoại của nó 200 (cm-1), độ dài liên kết giữa hai nguyên tử cacbon thì tăng từ 1,38A0 lên đến 1,54A0, còn độ bội liên kết giảm từ 2 xuống 1, tương ứng với sự biến đổi trạng thái lai hoá của nguyên tử C từ sp2 sang sp3. Trong nhiều trường hợp, hiệu ứng “liên kết p ngược” trong quá trình xúc tác có ý nghĩa hơn nhiều so với liên kết s, quan trọng nhất là sự xen phủ giữa các orbital tương ứng của Mz+ và L (hoặc SL) phải tuân theo qui tắc bảo toàn tính đối xứng của các orbital sao cho sự xen phủ đạt cực đại, đảm bảo cho sự vận chuyển electron được thực hiện dễ dàng, tạo điều kiện cho hoạt hoá và các giai đoạn biến đổi tiếp theo trong quá trình xúc tác [40], [57]. 1.1.2. ảnh hưởng của sự tạo phức đến tính chất xúc tác của Mz+. Như đã phân tích ở trên, trong các phức chất-xúc tác được tạo thành có sự vận chuyển electron từ Mz+ đến L (SL) và ngược lại. Sự phối trí này gây ra sự thay đổi các tính chất của: ligan, các cơ chất và các ion kim loại tạo phức Mz+ [52], [53], [54]: a) Tăng độ bền thuỷ phân của các ion kim loại: Trong dung dịch nước, ion các kim loại chuyển tiếp, ví dụ ion M2+, khi tăng pH, sẽ bị thuỷ phân: M2++ H2OMOH+ + H+ M(OH)2 [M2(OH)2]2+ ... (1.1) Sản phẩm của quá trình thuỷ phân là hydroxomonome MOH+, đime [M2(OH)2]2+, polime, hydroxyt trung hoà M(OH)2…chúng thường tồn tại ở dạng kết tủa hoặc dạng dung dịch keo làm giảm nồng độ ion M2+ và làm mất tính đồng thể của hệ, do đó tốc độ các phản ứng được xúc tác bằng ion M2+ sẽ bị giảm theo. Nếu ion trung tâm Mz+ có trạng thái oxy hóa (z+) cao và độ chưa bão hòa phối trí lớn thì tốc độ thủy phân càng lớn [4], [18]. Do vậy, các ion kim loại chuyển tiếp dễ bị thuỷ phân khi pH tăng dần. Thông thường độ bền thuỷ phân của các ion Mz+ bị giới hạn trong khoảng pH hẹp (pH = 35) [2], [6]. Khi cho ligan L vào dung dịch của Mz+ (giả thiết L có hai nhóm chức tạo phức và ion Mz+ có số phối trí lớn nhất bằng 6), và tăng dần pH của dung dịch, sẽ xảy ra các trường hợp sau: + ở pH thấp, trong dung dịch tồn tại các dạng proton hoá của L là LH+, LH22+ và ion Mz+ (do chưa tạo phức với L): L + H+ LH+ LH22+ (1.2) + Theo chiều tăng của pH, các dạng proton hoá của ligan bị phân ly và các cân bằng sẽ dịch chuyển về phía tạo ra L: LH22+ LH+ L (1.3) Nếu ligan là axit, ví dụ axit citric, kí hiệu là H4L, thì sự phân ly diễn ra theo chiều: H4LH3L-H2L2-HL3-L4- (1.4) +L +L +L Nhờ vậy mà một phần ion M2+ được liên kết vào các dạng phức chất: Mz+ LMz+ L2Mz+ L3Mz+ (1.5) (trong đó L có thể là phân tử trung hoà hoặc ở dạng các dạng anion). + Khi tiếp tục tăng pH đến một giới hạn nào đó thì một số dạng phức chất không bền của Mz+ cũng bị thuỷ phân tạo thành các phức chất hydroxo: LMz+ + H2O LMOH(z-1)+ + H+ (1.6) L2Mz+ + H2O L2MOH(z-1)+ + H+ (1.7) 2LMz+ + 2H2O L2M2(OH)2(z-1)+ + 2H+ (1.8) Điều khác cơ bản so với trường hợp thủy phân ion M2+ tự do là quá trình thuỷ phân phức của M2+ diễn ra chậm hơn và ở pH cao hơn. Hằng số bền của các phức chất càng lớn thì độ bền thuỷ phân của dung dịch càng lớn và tính chất đồng thể của dung dịch được bảo toàn ở pH càng cao, nhiều trường hợp phức chất-xúc tác có thể hoạt động được ở vùng pH =12 [8]. Các cân bằng từ (1.1) đến (1.8) cho thấy: tuỳ thuộc vào pH mà Mz+ có thể tồn tại ở nhiều dạng phức chất có thành phần khác nhau. Bằng cách thay đổi pH ta có thể làm cân bằng dịch chuyển về phía tạo thành dạng phức chất đóng vai trò xúc tác mà tại đó tốc độ quá trình xúc tác (WS) đạt giá trị cực đại. b) Thay đổi thế oxy hoá-khử của ion kim loại: Khi ion kim loại chuyển tiếp Mz+ tương tác phối trí với ligan L tạo thành phức chất sẽ làm cho thế oxy hoá-khử của nó cũng bị thay đổi theo. Mỗi phức chất tạo thành đều được đặc trưng bởi một hằng số bền , trong quá trình xúc tác oxy hoá-khử, ion trung tâm bị thay đổi số oxy hoá từ cao xuống thấp hoặc ngược lại, giữa thế oxy hoá-khử và hằng số bền được liên hệ với nhau bằng biểu thức [4]: - (1.9) trong đó: : hằng số bền của phức ở oxyhóa : hằng số bền của phức ở dạng dạng khử : thế oxy hóa khử ở dạng ion tự do R: hằng số khí; T: nhiệt độ tuyệt đối; F: hằng số Faraday. Từ công thức (1.9) ta thấy: + Nếu KLnM(z+1)+ > KLnMz+ thì , chứng tỏ sự tạo phức đã làm ổn định trạng thái oxy hoá cao của ion kim loại M(z+1)+ (dạng oxy hoá). Điều này chỉ có thể xảy ra khi ligan chỉ tạo liên kết s với ion kim loại. Fe3+ y x CN- : s Ví dụ2: = 0,36V < = 0,771V. Cho thấy, ion Fe3+ được ổn định trong phức chất Fe(CN)63- vì ligan CN- là s-donor mạnh, có độ phân cực lớn, thuận lợi cho sự tạo phức với ion Fe3+ hơn (hình 1.2). Hình1.2: Liên kết phối trí s giữa Fe3+ và CN- + Nếu KLnM(z+1)+ < KLnMz+ thì , chứng tỏ trạng thái oxy hoá thấp Mz+ (dạng khử) được ổn định. Điều này chỉ có thể xảy ra khi ligan tạo liên kết p ngược với ion kim loại chuyển tiếp Mz+ (hình 1.1b) Ví dụ3: L= O-phenantrolin (phen) có tác dụng ổn định tốt Fe2+ trong dung dịch nước vì: Fe3+(phen)3/Fe2+(phen)3 = 1,196V >Fe3+/Fe2+ = 0,771V [44]. Các kết quả nghiên cứu [28], [31], [32], [33], [34] cho thấy: Hoạt tính xúc tác đạt cực đại ở một giá trị tối ưu về thế oxy hoá-khử của phức chất-xúc tác, do đó phức chất-xúc tác cũng phải có độ bền tối ưu. Nếu độ bền quá nhỏ, phức chất bị thuỷ phân và nếu độ bền quá lớn, phức chất sẽ mất hoạt tính xúc tác [30]. Vì vậy, thế oxy hoá-khử của phức chất-xúc tác sẽ là một tiêu chuẩn đáng tin cậy để lựa chọn loại phức chất-xúc tác. Đồng thời chúng ta có thể thay đổi giá trị thế oxy hoá-khử của cặp ion M(z+1)+/Mz+ trong khoảng rộng để tìm giá trị tối ưu bằng cách cho tạo phức với một ligan thích hợp. Ta thấy, một vấn đề thực tế là để tương tác được với O2 hoặc H2O2 (O2/H2O2 = 0,69V; H2O2/OH = 0,71V) thì thế điện cực của các ion kim loại phải thoả mãn điều kiện [24], [48]: M(z+1)+/Mz+ << O2/H2O2 = 0,69V hoặc << H2O2/OH = 0,71V Vì điều kiện trên rất khó thoả mãn, nên thực chất tương tác với O2 (hoặc H2O2) chính là phức chất của các ion kim loại với thế oxy hoá-khử thấp hơn thế oxy hoá-khử của cặp các ion kim loại tương ứng rất nhiều bằng các phối trí với các ligan thích hợp (ligan-donor). Ví dụ 4: Chúng ta đã biết Fe3+/Fe2+ = 0,771V, nhưng khi tạo phức với ligan L (trietylentetramin) thì sẽ thu được Fe3+L/Fe2+L = - 0,073V, chứng tỏ Fe3+ được ổn định trong phức Fe3+L, trong đó Fe3+ liên kết phối trí với 4 nguyên tử N của ligan, tương tự như tâm hoạt động của chất xúc tác men catalaza, do đó phức Fe3+L được xem là phức chất-xúc tác có hoạt tính cao nhất trong số các phức chất-xúc tác của các kim loại chuyển tiếp đã được nghiên cứu cho quá trình phân huỷ H2O2 [28]. 1.1.3. Mối liên hệ giữa nhiệt động học sự tạo phức chất và xúc tác. Phức chất LnMz+ chỉ có thể trở thành phức chất-xúc táckhi nó chưa bão hoà phối trí (ligan chưa chiếm hết vị trí tự do trong nội cầu của phức chất). Vì chỉ khi đó, phân tử các chất phản ứng mới có thể xâm nhập vào nội cầu để liên kết phối trí với ion trung tâm Mz+ và do đó chúng được hoạt hoá và tiếp tục biến đổi. Còn ngược lại, nếu các phức chất đã bão hoà phối trí (ligan chiếm hết các vị trí tự do trong nội cầu) thường không có hoạt tính xúc tác. Lúc này ligan trở thành chất ức chế đối với quá trình xúc tác [41], [15]. Tuy nhiên, điều này không có nghĩa là hoạt tính xúc tác của phức chất giảm khi số vị trí phối trí tự do giảm. Ví dụ5: Trong các quá trình catalaza và peroxydaza thì hoạt tính xúc tác của Mn2+(phen)2 và Mn2+(Dipy)2 (phen = O-phenantrolin, Dipy = dipyridin) cao hơn nhiều so với hoạt tính của Mn2+(phen) và Mn2+ (Dipy), mặc dù số vị trí phối trí tự do của hai phức đầu (bằng 2) nhỏ hơn so với hai phức chất sau (bằng 4). Trong khi đó các phức chất đã bão hoà phối trí Mn2+(phen)3 và Mn2+ (Dipy)3 lại gây ức chế đối với quá trình đã cho. Trường hợp tổng quát, khi thay đổi nồng độ của L thì trong dung dịch tạo thành nhiều dạng phức chất khác nhau và giữa chúng thiết lập cân bằng [7]: Mz++ nL Mz+L +(n-1)L Mz+L2+(n-2)L Mz+L3 +(n-3)L ... (1.10) Mỗi dạng phức chất trong cân bằng (1.10) được đặc trưng cả bằng hằng số bền lẫn thế oxy hoá- khử tương ứng và mỗi dạng phức chất khác nhau sẽ có hoạt tính xúc tác khác nhau. Như vậy, ở một giá trị nồng độ đầu [Mz+]0 cho trước, khi tăng nồng độ đầu của ligan [L]0, nghĩa là tăng tỉ số thì tốc độ quá trình xúc tác (Ws) trong trường hợp này là hàm phức tạp phụ thuộc vào . Trường hợp thường gặp là một dạng phức chất nào đó ở cân bằng (1.10) có hoạt tính xúc tác rất cao đến mức lấn át hoạt tính xúc tác của các dạng phức khác thì có thể coi gần đúng, hoạt tính xúc tác của cả hệ chính bằng hoạt tính xúc tác của dạng phức chất đó. Để xác định được dạng dạng phức đóng vai trò xúc tác, chúng ta sẽ phải nghiên cứu sự biến đổi tương đồng giữa tốc độ phản ứng xúc tác Ws và am [8] (am - phần tỷ lệ nồng độ của mỗi dạng phức chất). am được xác định dựa vào phương trình sau [30], [43]: (1.11) trong đó: [Mz+Lm] và Km là nồng độ và hằng số bền chung của phức chất thứ m [Mz+]o - nồng độ đầu của Mz+, [L]- nồng độ cân bằng của L được tính theo công thức: (1.12) - hàm tạo thành, [L]0- nồng độ ban đầu của L K1, K2, K3…- hằng số bền chung của các phức chất tương ứng với m =1, 2, 3… Tại mỗi giá trị của [Mz+]o, [L]0 cho trước tuỳ ý, [L] được chọn sao cho khi tính theo cả hai vế của phương trình (1.12) chỉ sai khác nhau khoảng . Ngày nay bằng cách lập trình cho máy tính, chúng ta có thể xác định được và am một cách tương đối dễ dàng [4]. Như vậy, trong ví dụ 5 ở trên thì Ws sẽ biến đổi tương đồng với a2, tức là ứng với sự tạo thành hai phức: Mn2+(phen)2 và Mn2+(Dipy)2, hay nói cách khác, tốc độ của phản ứng xúc tác Ws sẽ đi qua đỉnh cực đại tại giá trị tương ứng với sự tạo thành hai phức chất-xúc tác Mn2+(phen)2 và Mn2+(Dipy)2. Đây là một biểu hiện của mối liên hệ giữa nhiệt động học sự tạo phức chất và động học (xúc tác). 1.1.4. Chu trình oxi hoá khử thuận nghịch. Trong quá trình xúc tác oxy hoá-khử bằng phức chất của ion các kim loại chuyển tiếp LnMz+, có sự biến đổi các trạng thái oxy hoá của các ion trung tâm (ở các dạng phức chất tương ứng). Khi cho chất oxy hoá (Ox) như H2O2 vào dung dịch của phức chất-xúc tác LnMz+ (trong đó Mz+ có tính khử) thì ion Mz+ của phức sẽ bị oxy hoá thành ion có trạng thái oxy hoá cao hơn, ở các dạng phức tương ứng (LnM(z+1)+, LnM(z+2)+...). Nếu trong hệ xúc tác có mặt chất khử (Red) thì các ion ở trong phức ở trạng thái oxy hoá cao sẽ được khử về trạng thái oxy hoá ban đầu, thực hiện quá trình phục hồi xúc tác. Như vậy, trong hệ xúc tác, khi đồng thời có mặt các dạng phức chất của ion kim loại chuyển tiếp với các trạng thái oxy hoá khác nhau, chất oxy hoá và chất khử thì có thể tồn tại chu trình oxy hoá-khử thuận nghịch (1.13): Ox Red LnMz+ LnM(z+1)+(LnM(z+2)+...) (1.13)  Mức độ thuận nghịch của chu trình phụ thuộc vào nhiều yếu tố: bản chất của ion kim loại, ligan, chất oxy hoá, chất khử, cấu tạo, thành phần và độ bền của các phức chất được tạo thành, các đại lượng thế oxy hoá-khử của phức chất và chất oxy hoá, chất khử, điều kiện phản ứng...[25], [32], [35], [52]. Nghiên cứu chu trình oxy hoá-khử thuận nghịch và nâng cao tính thuận nghịch của nó là một phần quan trọng trong việc xác định cơ chế của quá trình xúc tác oxy hoá-khử, đồng thời điều này còn có ý nghĩa thực tiễn: kéo dài thời gian làm việc và tăng cường hiệu quả xúc tác đối với các quá trình xúc tác oxy hoá-khử có lợi. Ngược lại phải hạn chế, kìm hãm, loại trừ sự hoạt động của chu trình oxy hoá-khử thuận nghịch đối với các quá trình xúc tác có hại. 1.1.5. Khả năng tạo thành phức trung gian hoạt động. Trong phản ứng oxy hoá-khử bằng phức chất-xúc tác người ta quan tâm đến số vị trí phối trí tự do mà ion kim loại chưa dành chỗ cho một ligan nào trong nội cầu của phức. Đó là nơi để các chất phản ứng xâm nhập vào, tạo liên kết cho nhận với Mz+ và đồng thời chúng sẽ được hoạt hoá do có sự phân bố lại mật độ electron. Nói cách khác phức [Mz+Ln] có khả năng tiếp nhận thêm các phân tử phản ứng S1, S2… để tạo thành các phức trung gian có dạng [Mz+LnS1S2…]. Tại đây, các phân tử S1, S2…sẽ được hoạt hoá. Sự tồn tại và số lượng các vị trí phối trí tự do trong nội cầu phụ thuộc vào b (tỉ lệ nồng độ đầu của ligan và ion kim loại chuyển tiếp:) và hằng số bền của phức chất-xúc tác [16], [17]. Khi nghiên cứu quá trình xúc tác người ta nhận thấy tốc độ và cơ chế các quá trình xúc tác oxy hoá-khử bằng phức chất của các ion kim loại chuyển tiếp, nhiều trường hợp có liên quan đến sự tạo thành các phức chất trung gian (hoạt động và không hoạt động) giữa phức chất-xúc tác và chất phản ứng với sự tham gia của các cặp electron không chia, các electron liên kết p và các orbital trống. Từ công thức xác định tốc độ phản ứng: (1.14) trong đó: k - là hằng số tốc độ phản ứng và nó được xác định từ công thức: (1.15) trong đó: h - hằng số plank; Kb - hằng số Boltzmann; Cxt và CSi – nồng độ chất xúc tác và các chất tham gia phản ứng; ni – bậc phản ứng theo chất thứ i; - hằng số tốc độ hiệu dụng của phản ứng; và - entanpy và entropy hoạt hoá. Ta thấy tốc độ phản ứng sự phụ thuộc vào cả hai yếu tố là cấu trúc và năng lượng: + Về măt năng lượng: sự hình thành phức trung gian hoạt động, do có sự phân bố lại mật độ electron, làm cho các liên kết giữa các hạt nhân tham gia tương tác yếu đi, độ hỗn độn của hệ tăng lên (entropy tăng) đã tạo điều kiện thuận lợi cho những định hướng thích hợp và các biến đổi hoá học đồng thời làm giảm entanpy của quá trình (tức là giảm năng lượng hoạt hoá Ea). Kết quả là phản ứng xảy ra dễ dàng với tốc độ cao hơn khi không có xúc tác [6]. + Về mặt cấu trúc: phức trung gian hoạt động cho phép phức-xúc tác thể hiện những chức năng đặc biệt của mình: nó có thể ức chế hay hoạt hoá một quá trình để ngăn ngừa những sản phẩm phụ hay tăng cường những sản phẩm mong muốn, thậm chí yếu tố cấu trúc có thể thay đổi cả cơ chế và do đó làm thay đổi cả sản phẩm phản ứng: Ví dụ6: Phản ứng xyclooligome hoá axetylen (kí hiệu là ), dưới tác dụng của phức chất-xúc tác [Ni(II)L2] trong L là CN- hoặc axetylaxeton [4], [8]. + Nếu cả bốn phân tử axetylen chiếm bốn vị trí phối trí tự do trong nội cầu của phức chất [Ni(II)L2], thì sản phẩm thu được sẽ là xyclooctatetraen: + Nếu phức chất [Ni(II)L2] bị chiếm một chỗ bởi một phân tử ligan L’ là P(C6H5)3 thì sản phẩm nhận được là benzen: + Nếu tiếp tục giảm số phối trí tự do trong phức [Ni(II)L2] xuống 2 bằng cách cho phối trí với với ligan là phân tử O - phenantrolin có hai chức tạo liên kết phối trí (qua hai nguyên tử N trong liên kết N-N) với ion trung tâm Ni(II) thì phản ứng không xảy ra: 1.1.6. Cơ chế vận chuyển electron trong phản ứng xúc tác bằng phức chất. Quá trình vận chuyển electron có vai trò rất quan trọng trong xúc tác đồng thể oxy hoá-khử bằng phức chất. Quá trình này thường dẫn đến sự phân bố lại điện tích trên các tiểu phân có mặt trong thành phần của phức chất. Trong nhiều trường hợp, sự vận chuyển electron giữa các chất phản ứng và phức chất-xúc tác xác định tốc độ và chiều của quá trình xúc tác oxy hoá-khử [19]. Sự vận chuyển electron có thể diễn ra theo cơ chế nội cầu hay ngoại cầu: * Cơ chế nội cầu: Trong phức chất trung gian hoạt động, thí dụ [LnMz+S1S2], các chất phản ứng S1, S2 liên kết trực tiếp với ion trung tâm Mz+ của phức chất-xúc tác chưa bão hoà phối trí, do đó đã tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình vận chuyển electron từ S1 qua Mz+ sang S2 (hoặc ngược lại). Toàn bộ quá trình vận chuyển electron được diễn ra trong nội cầu của phức LnMz+ nên được gọi là cơ chế nội cầu, tương tự như trong xúc tác men [40], [41], [53]. Cơ chế nội cầu là một trong những ưu việt của xúc tác phức được thừa hưởng từ công nghệ chế tạo theo mô hình xúc tác men. ưu điểm của cơ chế nội cầu là quá trình hoạt hoá sẽ mang tính chọn lọc cao, tốc độ lớn và ít sản phẩm phụ [4]. Chúng ta có thể minh họa điều này bằng ví dụ sau: Ví dụ7: Xét phản ứng chuyển hoá N2 được xúc tác bởi phức đa nhân đồng hạch của ion V2+, hoặc phức đa nhân dị hạch (Mo3+ + Ti3+). Sơ đồ phản ứng có thể rút gọn như sau [2], [4]: 4V2+ + N2 + 4H2O 4V3+ + N2H4 + 4OH- 2Mo3+ + 2Ti3+ + N2 + 4H2O 2Mo4+ + 2Ti4+ + N2H4 + 4OH- Phản ứng tiến hành trong môi trường H2O – CH3OH. Các ion V2+, Mo3+, Ti3+ nằm ở dạng phức bằng cách liên kết với ligan L nào đó. Các ion này sẽ tương tác trực tiếp với phân tử N2 trong tâm bốn nhân đồng hạch hay dị hạch theo sơ đồ sau: Ln Mz+ Mz+Ln Ln Mz+ Mz+Ln N N e e e e Ox Red ; LnMz+ LnM(z+1)+(LnM(z+2)+...)  Các hệ xúc tác trên được thiết lập dựa trên kết quả mô hình hoá tâm hoạt động của enzym nitrogenaza trong các tế bào, chính nhờ cấu trúc phức đa nhân mà quá trình vận chuyển nhiều điện tử có thể xảy ra trong cùng một giai đoạn. Chu trình oxy hoá-khử thuận nghịch được diễn ra một cách nhanh chóng trong nội cầu với năng lượng hoạt hoá Ea 20 (kcal/mol). Cũng theo tác giả [4], phụ thuộc vào điều kiện phản ứng mà chu trình trên có thể cho sản phẩm là N2H4 hoặc NH3, còn sự chuyển hoá N2 trong tế bào được hoạt hoá bằng phức đa nhân đồng hạch của Mo hoặc dị hạch (Fe-Mo) thì quá trình hoạt hoá đựơc thực hiện hoàn hảo hơn rất nhiều do thuận lợi cả về mặt năng lượng và không gian nên chỉ tạo ra một sản phẩm duy nhất là NH3 [4]. Nếu phức chất [LnMz+] chưa bão hoà phối trí và S có khả năng thay thế vị trí của L (nếu liên kết Mz+-S bền hơn liên kết Mz+-L) thì thành phần của phức chất-xúc tác bị thay đổi và khi tăng nồng độ của S làm cho tốc độ của quá trình xúc tác giảm theo (ức chế bằng cơ chất) [41]. [LnMz+] + S [Ln-1 Mz+S ] + L (1.16) * Cơ chế ngoại cầu: Nếu phức chất [LnMz+] đã bão hoà phối trí thì các phân tử phản ứng S1, S2… không thể xâm nhập vào nội cầu (nếu liên kết Mz+-L bền hơn rất nhiều so với liên kết Mz+-S) để liên kết trực tiếp với ion trung tâm Mz+. Lúc này không xảy ra sự vận chuyển electron theo cơ chế nội cầu, làm cho quá trình quá trình oxy hoá-khử có thể không diễn ra hoặc diễn ra với tốc độ thấp. Đây chính là nguyên nhân chủ yếu làm cho phức chất đã bão hoà phối trí hầu như không có hoạt tính xúc tác. Tuy nhiên, trong trường hợp các ligan vẫn còn khả năng dẫn điện tử (ligan có chứa các liên kết p liên hợp) và tương tác với các chất phản ứng S nhờ sự hình thành các liên kết hydro, liên kết cho nhận...tạo thành phức chất trung gian hoạt động [Mz+Ln]S1S2. Do đó, sự vận chuyển eletron giữa ion Mz+ và S1, S2 có thể xảy ra ở bên ngoài cầu phối trí của ion trung tâm Mz+ [53], [61]. Phản ứng xúc tác như vậy được gọi là những phản ứng có cơ chế ngoại cầu. Như vậy, tuỳ thuộc vào cấu tạo, tính chất, khả năng tương tác và tương quan nồng độ giữa các tác nhân như: Mz+, L, Si, pH, ... và điều kiện môi trường mà quá trình xúc tác oxy hoá-khử có thể diễn ra theo cơ chế nội cầu hay cơ chế ngoại cầu, vận chuyển một hay nhiều electron, hoặc cũng có khi xảy ra đồng thời theo cả hai cơ chế [21]. Vì vậy mà trong từng giai đoạn, khó có thể phân định một cách rõ ràng từng cơ chế. Điều này phản ánh một trong những tính chất phức tạp của phản ứng xúc tác phức đồng thể. 1.2. xúc tác phân hủy H2O2 bằng phức chất (quá trình catalaza). Phản ứng xúc tác phân huỷ H2O2 diễn ra như sau: chất xúc tác H2O2 H2O + O2 (1.17) Quá trình phân huỷ H2O2 được xúc tác bằng ion kim loại chuyển tiếp Mz+ hoặc phức chất của chúng LnMz+ cũng được gọi là quá trình catalaza vì chúng có những đặc điểm tương tự như quá trình catalaza diễn trong cơ thể sống: cơ chế gồm nhiều giai đoạn, tâm hoạt động đều ở dạng phức chất của Mz+ [20]…Phản ứng (1.17) được xem là phản ứng duy nhất đơn giản nhưng lại rất bao quát, có khả năng cung cấp đầy đủ các thông tin, các đặc điểm, qui luật cơ bản, cơ chế của các quá trình xúc tác đồng thể oxy hoá-khử. Chính vì vậy mà phản ứng này được chọn làm mô hình thích hợp nhất cho việc nghiên cứu, thiết lập các qui luật động học và cơ chế của các quá trình xúc tác oxy hoá-khử phức tạp hơn [8]. 1.2.1. Các hệ Mz+- H2O2. Như đã phân tích ở mục (1.1.2), các ion kim loại chuyển tiếp Mz+ ở trong dung dịch thường có độ bền thuỷ phân rất thấp, dễ bị thuỷ phân thành các dạng hydroxyt khác nhau, có độ bền lớn, không có hoạt tính xúc tác và chúng thường tồn tại ở dạng kết tủa hoặc dung dịch keo làm cho dung dịch phản ứng mất tính đồng thể [7], [8]. Nhưng thực tế, trong dãy ion Mz+= Mn2+, Fe2+, Co2+, Ni2+, Cu2+... chỉ có Fe2+ và Cu2+ là có thể đóng vai trò chất xúc tác cho quá trình phân huỷ H2O2. Nhưng khả năng làm việc của các kim loại này bị giới hạn trong khoảng hẹp (pH =13). Việc nghiên cứu hoạt tính xúc tác Cu2+ bị hạn chế do hoạt tính của Cu2+ nhỏ hơn nhiều so với Fe3+, mặt khác ở điều kiện tiến hành thí nghiệm, Fe3+ luôn tồn tại ở dạng tạp chất vi lượng. Vì vậy, việc tách hoàn toàn ion Fe3+ khỏi dung dịch muối Cu2+ là khó có thể thực hiện được [46]. Do đó, trong hệ Cu2+- H2O2, xúc tác cho quá trình phân huỷ H2O2 là tổ hợp của cả hai ion Cu2+ và Fe3+ cùng tác dụng đồng thời. Như vậy, chỉ có hệ xúc tác Fenton (Fe2+-H2O2) là có khả năng cho phép nghiên cứu tỉ mỉ, với mức độ ảnh hưởng của các ion kim loại khác là nhỏ nhất. Hệ (Fe2+-H2O2) được Fenton phát hiện và nghiên cứu lần đầu tiên vào năm 1894. Cho đến nay đã có rất nhiều công trình kế tục nghiên cứu hệ Fenton [26], [33], [13], cung cấp ngày càng chi tiết và đầy đủ thông tin về hệ xúc tác này, bổ sung và hoàn thiện dần cơ chế xúc tác của hệ. Người ta đã chứng minh và thừa nhận rằng trong môi trường axit (pH=13) và tỉ số nồng độ [H2O2]o /[Fe2+]o >>1, quá trình xúc tác phân huỷ H2O2 dưới tác dụng của Fe2+ diễn ra theo cơ chế như sau [4], [2], [8]:  Sơ đồ cơ chế 1.1: k5 k23 k1 k3 k4 k6 Fe2+ + H2O2 2) Fe2+ + OH* 3) H2O2 + OH* 4) Fe2+ + HO2* 5) Fe3+ + HO2* 6) Fe3+ + H2O2 Fe3+ + OH* + OH- Fe3+ + OH- H2O + HO2* Fe3+ + HO2- Fe2+ + H+ + O2 Fe2+ + HO2* + H+ k1= 76 l.M-1s-1 k2 = 3.108 l.M-1s-1 k3 = 3.107 l.M-1s-1 k4 = 5.106 l.M-1s-1 k5 = 3,3.105 l.M-1s-1 k6 = 9.10-5 l.M-1s-1 Hệ Fenton rất phổ biến trong tự nhiên cũng như trong thực tiễn sản xuất và đời sống. Sự phân huỷ H2O2 trong hệ theo sơ đồ cơ chế 1.1 tạo ra các gốc tự do OH*, HO2*, đặc biệt là gốc OH* là tác nhân oxy hoá rất mạnh, được ứng dụng rộng rãi và._.o nhiều mục đích khác nhau: khơi mào trong quá trình polime hoá, oxy hoá các hợp chất hữu cơ khác nhau trong các hệ: Fe2+-H2O2 – S. 1.2.2. Các hệ Mz+- L- H2O2. Quá trình phân tích vai trò của sự tạo phức trong xúc tác cho thấy: sự tạo phức đã làm cho hoạt tính xúc tác của hệ tăng lên rất nhiều so với trường hợp các ion đơn giản Mz+. Khi chuyển ion Mz+ vào phức chất LnMz+ (trong đó L là các ligan có bản chất khác nhau), nghĩa là tương ứng với sự chuyển từ hệ Mz+- H2O2 sang hệ Mz+- L- H2O2 thì không những làm thay đổi tốc độ của quá trình mà còn có thể dẫn đến sự thay đổi cơ bản về cơ chế của phản ứng do tác dụng đặc thù của phức chất-xúc tác. Cơ chế nguyên tắc của quá trình xúc tác phân huỷ H2O2 bằng phức chất của các ion kim loại chuyển tiếp được thiết lập trên cơ sở xác định sự tạo thành và khả năng phản ứng của các tiểu phân trung gian hoạt động trong quá trình xúc tác: phân tử, ion, phức chất trung gian hoạt động, gốc tự do...Cơ chế của các phản ứng này nhìn chung có thể khái quát thành hai dạng cơ bản: cơ chế gốc - ion và cơ chế phân - tử ion [31], [32], [35]. *Cơ chế gốc-ion: Nét đặc trưng của cơ chế dạng này là có sự tạo thành các gốc tự do OH*, HO2* (O2*-) trong thể tích phản ứng, đồng thời có sự thay đổi độ oxy hoá của ion trung tâm. Dựa vào tỉ số n = Wo2/W[i], (W[i] là tốc độ sinh mạch (khơi mào)) mà cơ chế gốc - ion được chia thành cơ chế mạch-gốc (n>1) hoặc cơ chế chu trình (n=1) [8]. Sơ đồ cơ chế 1.2: (mạch-gốc) Sinh mạch: LnMz+ + HO2- Phát triển mạch: LnM(z-1)++ H2O2 OH* + H2O2 HO2* O2*- + LnMz+ Đứt mạch: LnM(z-1)++ HO2* LnM(z-1)++ OH* HO2* + HO2* k6 ki k2 k3 k4 k5 k7 k1 LnM(z-1)++ HO2*(O2-*) LnMz++ OH- + OH* HO2* + H2O H+ + O2*- LnM(z-1)++ O2 LnMz++ HO2- LnMz++ OH- H2O2 + O2 Từ sơ đồ này, ta tìm được biểu thức động học tốc độ WO2 được thiết lập theo sơ đồ cơ chế 1.2 có dạng: (1.18) Sơ đồ cơ chế 1.3: (chu trình) a. Trường hợp cơ chế chỉ gồm các giai đoạn vận chuyển 1 electron: LnMz++ H2O2 OH* + H2O2 LnM(z+1)++ HO2* LnM(z+1)++ OH* + OH- HO2* + H2O LnMz++ H+ + O2 b. Trường hợp cơ chế gồm các giai đoạn vận chuyển 1 và 2 electron: LnMz++ H2O2 LnM(z+2)+ + HO2- LnM(z+1)++ HO2* LnM(z+2)+ +2OH- LnM(z+1)+ + HO2*( O2*- + H+) LnMz++ H+ + O2 *Cơ chế phân tử-ion: Dấu hiệu đặc trưng của cơ chế phân tử-ion là: không có các gốc tự do được tạo thành trong hệ xúc tác. Sự phân huỷ H2O2 có thể diễn ra qua sự tạo thành phức chất di- hoặc mono-peroxo, trong đó có sự vận chuyển 1 hoặc 2 electron trong nội cầu, tương ứng với sơ đồ cơ chế 1.4 và 1.5: k1 k2 k3 Sơ đồ cơ chế 1.4: (vận chuyển 1 electron) [LnMz+] + HO2- [LnMz+ HO2-] + H2O2 [LnMz+HO2-H2O2] [LnMz+HO2-] [LnMz+HO2-H2O2] [LnMz+] + O2+ HO2- + H2O Biểu thức động học tốc độ WO2 được thiết lập theo sơ đồ cơ chế 1.4 có dạng: và , thì sẽ được: (1.19) Sơ đồ cơ chế 1.5: (vận chuyển 2 electron) [LnMz+]+ H2O2 [LnM(z+2)+] +HO2- [LnMz+H2O2] [LnM(z+2)+HO2-] [LnM(z+2)+] +2OH- [LnMz+] + H++ O2 Trên đây là những cơ chế điển hình ở dạng khái quát và đơn giản nhất. Tuy nhiên trên thực tế, tuỳ thuộc vào từng hệ cụ thể và điều kiện tiến hành mà các quá trình xúc tác phân huỷ H2O2 có thể diễn ra phức tạp hơn nhiều. Vì vậy, để thiết lập cơ chế theo bậc phản ứng, cần phải nghiên cứu sự phụ thuộc tốc độ quá trình xúc tác vào sự biến thiên nồng độ trong khoảng rộng của tất cả các cấu tử trong hệ nhằm thu được những thông tin đầy đủ và tin cậy nhất. Ngoài ra, tính chất phức tạp của sự thiết lập cơ chế nguyên tắc còn được biểu hiện ở việc phát hiện, nghiên cứu sự tạo thành và phân huỷ các phức chất trung gian hoạt động. Nếu phát hiện trong dung dịch phản ứng có phát sinh gốc tự do thì có thể khẳng định chắc chắn về vai trò của các gốc tự do trong cơ chế của quá trình, nhưng cũng không loại trừ sự tồn tại song song của cơ chế phân tử-ion, điều quan trọng là cần phải phân tích các giai đoạn tiếp theo và xác định loại cơ chế nào chiếm ưu thế. 1.3. quá trình Xúc tác oxy hóa cơ chất bằng H2O2 (quá trình peroxydaza). Phức xúc tác Nếu thay một phân tử H2O2 trong phương trình (1.17) bằng một phân tử hợp chất hữu cơ-subtrate (S) (thêm cơ chất S vào trong các hệ Mz+-H2O2 hoặc Mz+- L-H2O2), thì sẽ được quá trình xúc tác oxy hoá cơ chất S bằng H2O2 thành sản phẩm P và H2O. Quá trình này được gọi là quá trình peroxydaza (tương tự như quá trình oxy hoá cơ chất S bằng H2O2 diễn ra trong cơ thể sống) [35]: H2O2 + S P + H2O (1.20) 1.3.1. Các hệ Mz+- H2O2-S. Như đã phân tích ở mục (1.2.1), trong số các hệ Mz+-H2O (Mz+ là ion các kim loại chuyển tiếp), chỉ có hệ xúc tác Fenton (Fe2+-H2O2) tỏ ra có hiệu quả nhất đối với quá trình xúc tác phân huỷ H2O2. Vì sự xúc tác phân huỷ H2O2 bằng ion Fe2+ diễn ra theo cơ chế mạch-gốc (sơ đồ cơ chế 1.1). Trong đó gốc tự do OH* được tạo thành có thể oxy hoá các cơ chất S có bản chất khác nhau (kS+OH* 1081010 l.mol-1.s-1) trong môi trường axit (pH =13) [8]. Xét về mặt quan hệ ảnh hưởng đến quá trình xúc tác, có thể phân loại các chất phản ứng thành hai nhóm: Nhóm thứ nhất gồm những cơ chất không có tính ligan, tức là không có khả năng tạo phức với Mz+, trong quá trình xúc tác oxy hoá, các substrate (S) sẽ bị oxy hoá hoặc bị khử. Nhóm thứ hai gồm những chất phản ứng có tính chất nhị nguyên: Vừ đóng vai trò là substrate (S) và vừa đóng vai trò là ligan (L) tạo phức với Fe2+ (Mz+), nên được kí hiệu là SL. Ngoài ra các chất phản ứng còn được phân loại theo tính chất khử (S =Sr) trên cơ sở đại lượng thế oxy hoá-khử của substrate (S) [27]. 1.3.2. Các hệ Mz+- L- H2O2-S (Sr, SL). Khi cho ligan L vào các hệ Mz+-H2O2-S, ta sẽ được hệ tương ứng: Mz+-H2O2-L-S. Sự có mặt của của L trong các hệ này sẽ làm cho quá trình xúc tác oxy hoá-khử bằng phức LnMz+ diễn ra phức tạp hơn nhiều, do đó có thể dẫn đến những thay đổi lớn về qui luật động học và cơ chế của quá trình xúc tác oxy hoá. Vì vậy, nghiên cứu quá trình peroxydaza trong các hệ: Mz+- L - H2O2 -S, cần phải giải quyết các vấn đề sau: - Xác định cấu tạo, thành phần, độ bền (hằng số bền từng nấc k và hằng số bền chung K), thế oxy hoá-khử , nồng độ (phần tỉ lệ ) của tất cả các dạng phức chất được tạo thành trong điều kiện xúc tác, trong đó có dạng phức đóng vai trò xúc tác [LnMz+] (n=1, 2, 3…) và sự phân bố các dạng phức đó theo nồng độ [L] hoặc theo pH. - Phát hiện, chứng minh và nghiên cứu sự tạo thành phức trung gian hoạt động peroxo [LnMz+ H2O2SL], …nếu phức [LnMz+] chưa bão hoà phối trí, hoặc phức chất [LnMz+] H2O2SL, …nếu phức [LnMz+] đã bão hoà phối trí. - Nghiên cứu sự phân huỷ phức trung gian hoạt động: xác định cơ chế vận chuyển electron (1, 2, … electron, nội cầu, ngoại cầu), sự biến đổi hoá học của các tiểu phân tham gia tạo thành phức trung gian, chứng minh sự phát sinh các gốc tự do OH*, HO2* (O2* -), … trong thể tích phản ứng, sự tạo thành các ion kim loại có trạng thái hoá trị khác nhau ở các dạng phức chất tương ứng [LnM(z+1)+], [LnM(z+2)+], [LnM(z+3)+], …sự thiết lập chu trình oxy hoá-khử thuận nghịch (1.13). - Bằng thực nghiệm, thiết lập các biểu thức động học tốc độ ban đầu của quá trình xúc tác oxy hoá substrate WTNS (Sr, SL) phụ thuộc vào nồng độ của các chất tham gia phản ứng, vào pH của môi trường. Tìm mối quan hệ sự phụ thuộc tương đồng của WTNS (Sr, SL) và phần tỉ lệ nồng độ () của một dạng phức nào đó vào nồng độ đầu của ligan [L]0 (thường là tỉ số) hoặc vào pH của môi trường phản ứng, để xác định dạng phức chất đóng vai trò xúc tác bằng phương pháp động học. - Xác định các hằng số tốc độ của các phản ứng giai đoạn bằng thực nghiệm và bằng tính toán lý thuyết. - Trên cơ sở tổng hợp toàn bộ kết quả thu được ở trên, thiết lập sơ đồ cơ chế của quá trình peroxydaza và biểu thức động học tốc độ của quá trình theo sơ đồ WsđS (Sr, SL) rồi đối chiếu với biểu thức của WTNS (Sr, SL) để đánh giá tính hiện thực của sơ đồ cơ chế được thiết lập và rút ra những kết luận có tính qui luật. Từ những phân tích trên, cho phép chúng ta rút ra được một số nguyên nhân quan trọng ảnh hưởng đến cơ chế của quá trình peroxydaza. - Cấu tạo cầu phối trí của phức chất xúc tác: Như đã phân tích ở mục (1.1), các đặc trưng cấu tạo cầu phối trí của phức chất-xúc tác LnMz+: tính bão hoà hoặc chưa bão hoà phối trí, số vị trí phối trí tự do, sự tồn tại các orbital thích hợp còn lại của Mz+, khả năng tương tác phân tử và vận chuyển electron của L, … không chỉ tạo điều kiện thuận lợi cho phân tử các chất phản ứng S (Sr, SL), H2O2, … phối trí, định hướng và tương tác trực tiếp hoặc gián tiếp (qua cầu nối ligan L) với ion trung tâm Mz+, mà còn cho các phân tử định hướng, tương tác lẫn nhau, dẫn đến sự tạo thành các phức trung gian hoạt động khác nhau: [LnMz+H2O2SL], …[LnMz+]H2O2SL, …trong đó cơ chế vận chuyển electron và các biến đổi hoá học, sự phân huỷ các phức chất trung gian, …phụ thuộc và bản chất các tiểu phân hợp thành và điều kiện phản ứng. - Cấu trúc electron của ion trung tâm: ở các ion kim loại chuyển tiếp, do đặc điểm cấu trúc electron và năng lượng giữa các orbital ns, np và (n-1)d, nên khả năng lai hoá của các orbital này là rất cao. Các orbital lai hoá (dsp2; d2sp3, d5sp2…) của Mz+ được sử dụng để tạo thành liên kết cho nhận, liên kết ngược (hình 1.1, hình 1.2), các MO đa tâm với ligan L và các chất phản ứng, làm tăng số liên kết phối trí mà Mz+ có thể tham gia so với số liên kết theo thuyết hoá trị, tăng khả năng vận chuyển, cho nhận electron, …Đó là những nguyên nhân làm thay đổi cấu trúc, các tính chất không chỉ đối với Mz+ mà ở cả các chất tham gia phối trí: L, S (Sr, SL), H2O2, … dẫn đến sự thay đổi lớn tốc độ và cơ chế của quá trình xúc tác bằng phức chất [55] - Bản chất ligan L: Trong một hệ xúc tác, khi thay đổi ligan có bản chất khác nhau, có thể dẫn đến sự hình thành các phức chất-xúc tác có cấu trúc khác nhau và do đó cơ chế của quá trình xúc tác cũng bị thay đổi. Ligan tương tác với ion Mz+ không những chỉ tạo ra hay không tạo ra khả năng thuận lợi cho sự phối trí tiếp theo của phân tử các chất phản ứng, nghĩa là ảnh hưởng đến sự tạo thành các MO thuận lợi hay không thuận lợi theo quan điểm qui tắc bảo toàn tính đối xứng của các MO, mà còn có thể đóng vai trò là cầu vận chuyển electron, đặc biệt là các ligan có liên kết luân hợp (L = phen, Dipy…) đối với trường hợp phức chất-xúc tác đã bão hoà phối trí, quá trình xúc tác oxy hoá substrate chỉ có thể diễn ra nhờ sự vận chuển electron theo cơ chế ngoại cầu giữa Mz+, H2O2 và S (Sr, SL) gián tiếp qua L trong phức trung gian hoạt động [LnMz+]H2O2SL, …[2], thí dụ [Co2+(Phen)3]H2O2.Ind (Ind- indigocamin) [18]. - Bản chất substrate (S): ảnh hưởng bản chất của substrate đến cơ chế của quá trình peroxydaza được biểu hiện ở khả năng cạnh tranh với các phân tử dung môi trong việc giành vị trí phối trí trong cầu nội của phức chất-xúc tác. - Nếu cho substrate là ligan mạnh (SL) tạo liên kết đủ bền với Mz+, làm thay đổi các tính chất điện hoá (thế oxy hoá-khử…) của phức chất-xúc tác LnMz+ thì quá trình xúc tác phân huỷ H2O2 và oxy hoá SL trong các hệ Mz+-L-H2O2-SL có thể diễn ra theo cơ chế nội cầu với sự vận chuyển 2 electron trong một giai đoạn (sơ đồ cơ chế 1.6): Sơ đồ cơ chế 1.6: (vận chuyển 2 electron) [LnMz+] + H2O2 [LnMz+H2O2] + SL 2e 2e [LnMz+ H2O2SL] [LnMz+H2O2] [LnMz+H2O2SL] [LnMz+] + P + 2OH- Tuy vậy, khả năng phối trí của substrate với phức chất-xúc tác cũng chỉ là một trong các tiêu chuẩn để xem xét, xác định cơ chế hoạt động xúc tác của LnMz+, bởi vì ngoài bản chất của substrate còn có nhiều yếu tố khác ảnh hưởng đến quá trình xúc tác. - Điều kiện phản ứng : Quy luật động học và cơ chế của các quá trình xúc tác đồng thể oxy hoá-khử bằng phức chất không những chỉ phụ thuộc vào cấu tạo, tính chất của Mz+, L, S (Sr, SL), H2O2, …mà còn vào điều kiện tiến hành quá trình xúc tác: tương quan nồng độ các chất tham gia phản ứng, pH của dung dịch, O2 của không khí hoà tan, ánh sáng …bởi vì các tiểu phân của các chất nói trên đồng thời tham gia vào nhiều cân bằng nhiệt động khác nhau như được biểu thị ở (1.1) (1.8) và trong các sơ đồ cơ chế 1.2 1.6…Điều quan trọng là đối với mỗi hệ xúc tác cụ thể cần phải tìm các điều kiện tối ưu bằng cách biến thiên tương quan nồng độ giữa các chất phản ứng, pH…sao cho các cân bằng chuyển dịch về phía dạng phức đóng vai trò xúc tác, phức trung gian hoạt động có cấu tạo, thành phần, độ bền, thế oxy hoá-khử, …xác định, đảm bảo cho quá trình xúc tác diễn ra với tốc độ và độ chọn lọc cao theo chiều hướng có lợi đã định trước. 1.3.3. Mối quan hệ giữa quá trình catalaza và peroxydaza. Các kết quả nghiên cứu cho thấy: một phức chất LnMz+ có hoạt tính catalaza thông thường 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)+, … được tạo thành do quá trình xúc tác phân huỷ H2O2 sẽ oxy hoá các subtrate được đưa vào hệ [4]. Trường 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, như ta đã biết ở trên, quá trình peroxydaza vẫn diễn ra theo cơ chế mạch-gốc như 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 như đối với Sr nữa, mà diễn ra theo cơ chế phân tử- ion trong nội cầu của phức chất như đã được biểu thị ở sơ đồ cơ chế (1.6). Trường 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) được 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, nhưng 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. Trường 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)+] được 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 Như 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. Ngược 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 người 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 như: 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 trường xung quanh. 1.4.1. Hoạt hoá O2 bằng phức đa nhân LnMmz+. Cho đến nay, vẫn còn chưa 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- (= +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: . Với bậc liên kết bằng 2 và tổng spin S =1, nghĩa là ứng với trạng thái cơ bản (bền nhất) tribilet . Có nhiều cách tăng khả năng phản ứng của O2 như: tác dụng nhiệt, quang và quan trọng hơn cả là phương 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 được thực hiện trong các hệ sinh học bằng các chất xúc tác men oxydaza, oxygenaza, có tâm hoạt động là phức chất hai nhân chứa cầu oxy giữa hai ion Fe2+ (trong 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, người ta đã nghiên cứu tạo ra các mô hình phức chất-xúc tác hai nhân tương tự: [LFe(II)OH2 … O2...H2O Fe(II)L]4+, L = Histidin [58] e e [(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 trường tĩnh điện của ion kim loại chuyển tiếp trong phức chất, hai orbitan phản liên kết có cùng một mức năng lượng trong phân tử oxy tự do bị tách thành hai mức với hiệu năng lượng lớn hơn năng lượng cặp đôi p của các electron. Vì vậy, cấu trúc electron ở trạng thái phối trí sẽ là: Với bậc liên kết vẫn bằng 2 nhưng tổng spin S = 0, nghĩa là ứng với trạng thái kích thích đầu tiên singlet (); trong đó mật độ electron phân bố không đều: trên một mặt phẳng tương tác chứa 2 electron , còn trên mặt phẳng khác lại có đến 4 electron làm xuất hiện tuơng tác đẩy tĩnh điện (96KJ/mol) đủ để kích thích sự chuyển trạng thái: Orbitan của phân tử O2 ở trạng thái hoàn toàn trống nên có thể tiếp nhận electron từ obitan dxy của các ion Mz+ trong phức chất hai nhân tạo thanh liên kết ngược (hình 1.3). Mz+ + + + + - - - - + + + - a b y x - Mz+ + + + - - - + - - Hình 1.3: Hoạt hoá phân tử O2 bằng phức chất hai nhân [LnM2z+] Mức độ O2 được hoạt hoá tăng theo sự giảm bậc liên kết, tần số giao động hoá trị, năng lượng phân ly Ep và sự tăng độ dài liên kết của phân tử O2 do tiếp nhận 1 hoặc 2 electron vào obitan được biểu thị ở bảng 1.1. Bảng 1.1: Các đặc trưng về độ bền của phân tử O2: Các trạng thái ; ; O2-; O22- (): Trạng thái Bậc liên kết RO-O(Ao 2 1555 494 1,21 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]. được ứng dụng để thay thế các chất chuyển oxy trong tự nhiên, đặc biệt là hemoglobin, kéo dài thời gian bảo quản máu được 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) Trường hợp ngược 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, như đã biết ở trên, oxy phân tử bị hoạt hoá mạnh và có khả năng oxy hoá cao. Sự kích thích thành bằng tương tác phối trí như vậy không cần tiêu tốn năng lượng từ bên ngoài, chuẩn bị điều kiện thuận lợi cho tương tác với các substrate. R R CHR2 R + R R CR2 R OOH + O O Ví dụ 11: Phân tử oxy ở trạng thái cơ bản () chỉ tương tác được với các anken đơn giản khi tăng nhiệt độ và theo cơ chế mạch-gốc tự do, trong khi đó 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+ S], trong đó các phân tử O2 và S đều được 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, tương tự như 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+] + +S [LnM2z+S] [LnM2z+S] [LnM2z+] + P + … 1.4.2. Hoạt hoá H2O2 bằng phức đa nhân LnMmz+: So với , 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 được các yêu cầu sử dụng khác nhau, nó cần phải được hoạt hoá bằng phức chất-xúc tác hai nhân của các ion kim loại chuyển tiếp LnM2z+: H2O2 tương tác phối trí và tạo phức trung gian hoạt động peroxo với LnM2z+, trong đó hai electron được vận chuyển trong một giai đoạn từ các orbital d của hai ion Mz+ sang orbital trống, phản liên kết 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 (được hoạt hoá) [51]: Mz+ + + - - y x Mz+ + - + - + - + - dxy 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, HO2*... có khả năng oxy hoá rất mạnh nhiều hợp chất ngay ở điều kiện thường. 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 hoặc phức chất của nó với ion kim loại. Như vậy, trong các hệ xúc tác men cũng như trong các hệ xúc tác hoá học nói trên, điều kiện cần để H2O2 được 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 hướng 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 tương tác với phân tử substrate S (thay vì phân tử H2O2 thứ hai thì trong hệ sẽ diễn ra quá trình peroxydaza được 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 được 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 2e 2e [LnM2z+ H2O2SL] [LnM2z+H2O2S] [LnM2z+] + P + 2OH- Chương 2 Cơ sở thực nghiệm và phương pháp nghiên cứu 2.1. Các hệ xúc tác được chọn để nghiên cứu. Để đạt được các mục đích như 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 = 10-4 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 Co3+/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]. HOOC – CH2 – C – CH2 – COOH OH COOH Ligan là axit citric H4L: Axit citric được ký hiệu là H4L: là axit 4 nấc với các giá trị phân ly: pK1, pK2, pK3, pK4 tương 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 dưới 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]. + Dưới 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 , 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). Cơ chất Indigocamin (Ind): Cấu tao của Ind (Indigocamin –5, 5’- disunfonat Natri) NaO3S NH C C O NH C C O SO3Na Bảng 2.1: Một số tính chất trưng của Ind [8] kInd +HO2* (lM-1s-1) kInd + OH* (lM-1s-1) (Nm) (lM-1cm-1) - 0,125 8,5.103 17,8.109 612 1,02.104 2.2. Các phương pháp nghiên cứu. Quá trình nghiên cứu được thực hiện trên cơ sở chọn lọc, phối hợp các phương 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 được nghiên cứu. Như 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 chưa 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 lượng: Đòi hỏi phải biết được hằng số tương tác của các tiểu phân trung gian hoạt động trong đó có gốc tự do OH*, HO2* (O2* -)…với các substrate (S). Với các nội dung trên, trong phạm vi luận văn này chúng tôi đã sử dụng các phương pháp sau: + Phương pháp quang phổ hấp thụ electron phân tử [3]. + Phương 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 trên cơ sở tính bậc phản ứng theo nồng độ ion kim loại tạo phức) [6], [29] + Xác định bậc phản ứng [6]. + Phương pháp sử dụng các chất ức chế và các chất cạnh tranh [4], [8] [47]: phát hiện và chứng minh sự phát sinh (hay không phát sinh ) các gốc tự do OH*, HO2*(O2* -)…thứ tự phát sinh trước, sau, ở giai đoạn nào của mỗi loại gốc đó và xác định về mặt định lượng khả năng phản ứng của chúng (các hằng số tốc độ). + Lập trình tính hằng số (kOH* + Ind) bằng ngôn ngữ lập trình Pascal [9] Đối với xúc tác đồng thể oxy hoá-khử bằng phức chất, để phát hiện sự tồn tại của gốc tự do người ta còn có thể sử dụng phương pháp cộng hưởng từ electron. Tuy nhiên phương pháp cộng hưởng từ electron chỉ phát hiện được các gốc tự do với giới hạn nồng độ, thí dụ: [OH*] 10-7mol/l; [HO2*] hoặc [O2* -] 10-6 mol/l. Nhưng ở điều kiện diễn ra quá trình catalaza và peroxydaza thì: [OH*] 10-12 10-10mol/l; [HO2*] hoặc [O2* -] 10-11 10-7mol/l [45], do đó phương pháp cộng hưởng từ electron bị hạn chế. Trong trường hợp này, phương pháp các chất ức chế và các chất cạnh tranh tỏ ra có hiệu quả, không chỉ phát hiện ra mà còn xác định định lượng được các gốc tự do thông qua việc tính hằng số tương tác của gốc tự do OH* với các chất phản ứng trong điều kiện diễn biến của quá trình xúc tác [1], [8], [10]. Một số chất ức chế (In) có hiệu quả và chỉ tương tác đặc thù với gốc tự do OH* là Hydroquinon (Hq), Ascorbic (Ac), Paranitrozodimetylanilin (Pa)…(bảng 2.2) [2] Bảng 2.2: Tính chất đặc trưng của một số chất ức chế (In) Các chất ức chế (Indigocamin) KIn +HO2* (lM-1s-1) kInd + OH* (lM-1s-1) (Nm) (lM-1cm-1) Hydroquinon (Hq) C6H4(OH)2 _ 12.109 288 3.103 Ascorbic (Ac) C6H8O6 _ 7,2.109 265 Khi chọn một lượng nhỏ chất ức chế (10-5 10-4 mol/l) vào môi trường phản ứng, tốc độ của quá trình xúc tác bị giảm đi (trường hợp chất ức chế yếu) hoặc bị kìm hãm hoàn toàn (nếu là chất ức chế mạnh) với sự xuất hiện của chy kỳ cảm ứng (s). ở thời điểm kết thúc chu kỳ cảm ứng (khi lượng chất ức chế đã phản ứng hết với gốc tự do), tốc độ phản ứng xúc tác lại nhanh chóng đạt đượcgiá trị gần như khi không có mặt chất ức chế. Đây là dấu hiệu đặc trưng cho cơ chế mạch-gốc [45]. Phương pháp các chất ức chế và các chất cạnh tranh được dùng để xác định các hằng số tốc độ giai đoạn dựa trên các phản ứng cạnh tranh giữa các chất: cơ chất (S), chất ức chế (In), H2O2…giành gốc tự do OH*…và tạo thành các sản phẩm tương ứng P1, P2, P3…[29] Giả sử, đối với hệ: (H2O - Co2+ – H4L – S – H2O2 – In) sẽ có các phản ứng cạnh tranh gốc tự do OH* sau: S + OH P1; W1 = k1[S]0[OH]; k1 = k(S + OH) =? (2.1) In + OH P2; W2 = k2[In]0[OH] (2.2) H2O2 + OH P3; W3 = k3[H2O2]0[OH] (2.3) H4L + OH P3; W4 = k4[H4L]0[OH] (2.4) trong đó: k2, k3, k4… đã biết. Từ các phản ứng (2.2), (2.3) và (2.4) đã thiết lập được phương trình tính k1 như sau: (2.5) trong đó: là biến thiên nồng độ của chất cạnh tranh-substrate (S) khi có mặt một lượng chất ức chế In, a là hệ số kinh nghiệm giống nhau đối với tất cả các chất được nghiên cứu ở các điều kiện thực nghiệm không đổi. Nếu kí hiệu: y = , b = , x = thì phương trình (2.5) sẽ có dạng sau đây: y = ax + b (2.6) Từ phương trình (2.6) ta có thể xác định được hằng số tốc độ k1 bằng các phương pháp sau đây: Phương pháp đồ thị [47]: ở cùng một thời điểm và ở nồng độ cho trước của S, H2O2…cần xác định thực nghiệm các biến thiên tương ứng với mỗi giá trị nồng độ của chất ức chế [In]0 được cho vào hệ xúc tác, nghĩa là thu được các cặp giá trị x và y tương ứng. Xây dựng đồ thị của phương trình đường thẳng (2.3) sẽ xác đ._.