Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из Fenton Chemistry )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Реагент Фентона представляет собой раствор перекиси водорода (H 2 O 2 ) с двухвалентным железом (обычно сульфатом железа (II) , FeSO 4 ) в качестве катализатора, который используется для окисления загрязнителей или сточных вод . Реагент Фентона можно использовать для разрушения органических соединений, таких как трихлорэтилен (TCE) и тетрахлорэтилен (перхлорэтилен, PCE). Он был разработан в 1890-х годах Генри Джоном Хорстманом Фентоном как аналитический реагент. [1] [2] [3]

Обзор [ править ]

Железо (II) окисляется перекисью водорода до железа (III) , образуя гидроксильный радикал и гидроксид-ион . Затем железо (III) восстанавливается до железа (II) другой молекулой перекиси водорода, образуя гидропероксильный радикал и протон . Итоговым эффектом является диспропорционирование перекиси водорода с образованием двух различных форм кислородных радикалов с водой (H +  + OH - ) в качестве побочного продукта.

Fe 2+ + H 2 O 2 → Fe 3+ + HO • + OH -

 

 

 

 

( 1 )

Fe 3+ + H 2 O 2 → Fe 2+ + HOO • + H +

 

 

 

 

( 2 )

2 H 2 O 2 → HO • + HOO • + H 2 O

 

 

 

 

( чистая реакция: 1 + 2 )

Эти свободные радикалы , генерируемые этот процесс , то участвовать в вторичных реакциях. Например, гидроксил - мощный неизбирательный окислитель. [4] Окисление органического соединения реактивом Фентона является быстрым и экзотермическим и приводит к окислению загрязняющих веществ в основном до диоксида углерода и воды.

Реакция ( 1 ) была предложена Габером и Вейссом в 1930-х годах как часть того, что впоследствии стало реакцией Габера – Вейсса . [5]

Сульфат железа (II) обычно используется в качестве железного катализатора. Точные механизмы окислительно-восстановительного цикла не определены, также были предложены не-ОН • окислительные механизмы органических соединений. [ необходима цитата ] Таким образом, было бы целесообразно широко обсудить химию Фентона, а не конкретную реакцию Фентона .

В электрохимическом процессе Фентона перекись водорода производится in situ в результате электрохимического восстановления кислорода. [6]

Реагент Фентона также используется в органическом синтезе для гидроксилирования из аренов в радикальной заместительной реакции , такие как классические конверсии бензола в фенол .

С 6 Н 6 + FeSO 4 + Н 2 О 2 → С 6 Н 5 ОН

 

 

 

 

( 3 )

Реакция гидроксилирования примера включает в себя окисление в барбитуровой кислоте к аллоксану . [7] Другое применение реагента в органическом синтезе - реакции сочетания алканов. Например, трет- бутанол димеризуется реактивом Фентона и серной кислотой до 2,5-диметил-2,5-гександиола. [8] Реагент Фентона также широко используется в области экологии для очистки воды и восстановления почв . Сообщалось, что различные опасные сточные воды эффективно разлагаются с помощью реактива Фентона. [9]

Влияние pH на образование свободных радикалов [ править ]

pH влияет на скорость реакции по разным причинам. При низком pH также происходит комплексообразование с Fe 2+ , что снижает доступность Fe 2+ для образования реактивных окислительных частиц (OH •). [10] Более низкий pH также приводит к улавливанию • OH избытком H + , [11], следовательно, к снижению скорости его реакции. В то время как при высоком pH реакция замедляется из-за осаждения Fe (OH) 3 , что снижает концентрацию частиц Fe 3+ в растворе. [12] Растворимость железа напрямую зависит от pH раствора . Fe 3+примерно в 100 раз менее растворим, чем Fe 2+ в природной воде при pH, близком к нейтральному, концентрация ионов трехвалентного железа является ограничивающим фактором для 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, направленные на оптимизацию pH и среди других параметров для увеличения скорости реакции. [15]

Влияние рабочего pH на скорость реакции
Низкий pHОбразование комплекса [Fe (H 2 O) 6 ] 2+ , следовательно, восстановление Fe 2+ для образования радикалов.
Удаление • OH избытком H +
Высокий pHБолее низкий окислительно-восстановительный потенциал • OH
Саморазложение H 2 O 2 из-за снижения стабильности при высоком pH
Осаждение частиц Fe (OH) 3 в растворе

Биомедицинские последствия [ править ]

Реакция Фентона имеет разные значения в биологии, потому что она включает образование свободных радикалов химическими соединениями, которые естественным образом присутствуют в клетке в условиях in vivo . [16] Ионы переходных металлов , такие как железо и медь, могут отдавать или принимать свободные электроны через внутриклеточные реакции и, таким образом, вносить свой вклад в образование или, наоборот, улавливать свободные радикалы . В организмах, дышащих кислородом, большая часть внутриклеточного железа находится в состоянии трехвалентного (Fe 3+ ) [ необходима цитата ] и поэтому должно быть восстановлено до двухвалентного железа.(Fe 2+ ) для участия в реакции Фентона. Ионы супероксида и переходные металлы действуют синергетически, вызывая повреждения, вызванные свободными радикалами. [17] Таким образом, хотя клиническое значение все еще неясно, это одна из веских причин избегать приема препаратов железа у пациентов с активными инфекциями, тогда как другие причины включают инфекции, опосредованные железом. [18]

См. Также [ править ]

  • Молекулы, выделяющие окись углерода

Ссылки [ править ]

  1. ^ Koppenol, WH (1993). «Столетие реакции Фентона». Свободная радикальная биология и медицина . 15 (6): 645–651. DOI : 10.1016 / 0891-5849 (93) 90168-Т . ISSN  0891-5849 . PMID  8138191 .
  2. ^ Фентон HJH (1894). «Окисление винной кислоты в присутствии железа» . J. Chem. Soc., Trans . 65 (65): 899–911. DOI : 10.1039 / ct8946500899 .
  3. ^ Хайян М., Хашим М.А., АльНашеф И.М., Супероксид-ион: генерация и химические последствия. Chem. Rev., 2016, 116 (5), pp 3029–3085. DOI: 10.1021 / acs.chemrev.5b00407
  4. ^ Цай, QQ; Jothinathan, L .; Дэн, Ш; Онг, SL; Ng, HY; Ху, JY (2021-01-01), Шах, Маулин П. (ред.), «11 - Процессы AOP на основе фентона и озона для обработки промышленных сточных вод» , Advanced Oxidation Processes for Sfluent Treatment Plants , Elsevier, pp. 199-254, DOI : 10.1016 / b978-0-12-821011-6.00011-6 , ISBN 978-0-12-821011-6, получено 2021-04-08
  5. ^ Haber, F .; Вайс, Дж. (1932). "Uber die katalyse des hydroperoxydes" [О катализе гидропероксидов]. Naturwissenschaften . 20 (51): 948–950. Bibcode : 1932NW ..... 20..948H . DOI : 10.1007 / BF01504715 . S2CID 40200383 . 
  6. ^ Хуан Касадо; Хорди Форнагуера; Мария Ивановна Галан (январь 2005 г.). «Минерализация ароматических углеводородов в воде с помощью технологии электро-Фентона с использованием солнечного света в пилотном реакторе» . Environ. Sci. Technol . 39 (6): 1843–47. Bibcode : 2005EnST ... 39.1843C . DOI : 10.1021 / es0498787 . PMID 15819245 . 
  7. ^ Brömme HJ, Morke W, E Пешке (ноябрь 2002). «Превращение барбитуровой кислоты в аллоксан гидроксильными радикалами: взаимодействие с мелатонином и другими акцепторами гидроксильных радикалов». J. Pineal Res . 33 (4): 239–47. DOI : 10.1034 / j.1600-079X.2002.02936.x . PMID 12390507 . S2CID 30242100 .  
  8. ^ EL Jenner (1973). «α, α, α ', α'-Тетраметилтетраметиленгликоль» . Органический синтез .; Сборник , 5 , с. 1026
  9. ^ Цай, QQ; Ли, Британская Колумбия; Онг, SL; Ху, JY (2021-02-15). «Технологии Fenton с псевдоожиженным слоем для очистки стойких промышленных сточных вод - последние достижения, проблемы и перспективы» . Исследования воды . 190 : 116692. дои : 10.1016 / j.watres.2020.116692 . ISSN 0043-1354 . 
  10. ^ Сюй, Сян-Жун; Ли, Сяо-Янь; Ли, Сян-Чжун; Ли, Хуа-Бин (2009-08-05). «Разложение мелатонина УФ, УФ / H2O2, Fe2 + / H2O2 и УФ / Fe2 + / H2O2 процессов» . Технология разделения и очистки . 68 (2): 261–266. DOI : 10.1016 / j.seppur.2009.05.013 . ISSN 1383-5866 . 
  11. ^ Тан, WZ; Хуанг, КП (1996-12-01). «Кинетика окисления 2,4-дихлорфенола реагентом Фентона» . Экологические технологии . 17 (12): 1371–1378. DOI : 10.1080 / 09593330.1996.9618465 . ISSN 0959-3330 . 
  12. ^ Цай, QQ; Ли, Британская Колумбия; Онг, SL; Ху, JY (2021-02-15). «Технологии Fenton с псевдоожиженным слоем для очистки стойких промышленных сточных вод - последние достижения, проблемы и перспективы» . Исследования воды . 190 : 116692. дои : 10.1016 / j.watres.2020.116692 . ISSN 0043-1354 . 
  13. ^ Шпиркович, Лидия; Жуццолино, Клаудиа; Каул, Сантош Н. (июнь 2001 г.). «Сравнительное исследование окисления дисперсных красителей электрохимическим процессом, озоном, гипохлоритом и реагентом фентона» . Исследования воды . 35 (9): 2129–2136. DOI : 10.1016 / s0043-1354 (00) 00487-5 . ISSN 0043-1354 . 
  14. ↑ Величкова, Филипа; Дельмас, Анри; Жулькур, Карин; Куманова, Богдана (28.06.2016). «Гетерогенное окисление фентона и фото-фентона для удаления парацетамола с использованием железосодержащего цеолита ZSM-5 в качестве катализатора» . Журнал Айше . 63 (2): 669–679. DOI : 10.1002 / aic.15369 . ISSN 0001-1541 . 
  15. ^ Цай, Циньцин; Ли, Брэндон Чуан Йи; Онг, Сэй Леонг; Ху, Цзянъён (2021-01-14). «Применение многоцелевой искусственной нейронной сети (ИНС) в промышленной обработке концентрата обратного осмоса с помощью процесса Фентона в псевдоожиженном слое: прогнозирование производительности и оптимизация процесса» . ACS ES&T Water . DOI : 10.1021 / acsestwater.0c00192 .
  16. ^ Матавос-Арамян, S; Муссави, М; Матавос-Арамян, Н; Розхош, С (2017). «Обеззараживание воды, зараженной криптоспоридием, с помощью нового процесса Фентона». Свободная радикальная биология и медицина . 106 : 158–167. DOI : 10.1016 / j.freeradbiomed.2017.02.030 . PMID 28212822 . S2CID 3918519 .  
  17. ^ Роббинс и Котран (2008). Патологическая основа болезни (7-е изд.). Эльзевир. п. 16. ISBN 9780808923022.
  18. ^ Lapointe, Марк (2004-01-01). «Добавки железа в отделении интенсивной терапии: когда, в каком количестве и каким путем?» . Критическая помощь . 8 (2): S37–41. DOI : 10.1186 / cc2825 . ISSN 1364-8535 . PMC 3226152 . PMID 15196322 .   

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Гольдштейн Сара; Мейерштейн Дэн; Чапски Гидон (1993). «Реактивы Фентона». Свободная радикальная биология и медицина . 15 (4): 435–445. DOI : 10.1016 / 0891-5849 (93) 90043-Т . PMID  8225025 .
  • Барбусинский К. (2009). «Реакция Фентона - Противоречие относительно химии». Экологическая химия и инженерия , Том 16, № 3, стр. 347–358.

Внешние ссылки [ править ]

  • Справочная библиотека по применению перекиси
  • Компании, использующие реагент Фентона для химической реабилитации: ORIN