Đồ án Tính chất peroxydaza của hệ: H2O - Co2+- H4L - Inigocamin - H2O2

im 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 định được các giá trị a và b và do đó tính được k1. Phương pháp bình phương bé nhất [6]: a và b ở phương trình (2.3) được xác định theo công thức: a = (2.7) b = (2.8) Từ đó ta tính được k1 = a/b. 2.3. Hoá chất và dụng cụ thiết bị thí nghiệm. Tất cả các hoá chất được sử dụng trong hệ xúc tác đã được chọn để nghiên cứu đều có độ sạch PA. Ion Co2+ được pha từ muối CoSO4.7H2O Ion Ni2+ được pha từ muối NiSO4 khan Các dung dịch nghiên cứu đều được pha chế bằng nước cất hai lần. Độ pH của các dung dịch được kiểm tra bằng pH- meter loại Delta –320. Nồng độ H2O2 được xác định bằng phương pháp chuẩn độ pemanganat. Mật độ quang (D) trong vùng nhìn thấy và vùng tử ngoại được đo trên máy quang phổ UV – ViS 752. Dung dịch phản ứng được khuấy liên tục bằng máy khuấy từ M10 và nhiệt độ của hỗn hợp phản ứng được giữ không đổi (350C 0,20C) nhờ máy ổn nhiệt U.10. Quá trình xúc tác được tiến hành trong bình phản ứng được ổn nhiêt (hình 2.1): Hình 2.1: Thiết bị nghiên cứu quá trình xúc tác 1- Máy khuấy từ 4- Các điện cực pH – met 2- Bình phản ứng 5- Cửa cho H2O2 vào và lấy mẫu ra 3- Buret cho HClO4 (NaOH) vào 2.4. Phương pháp tiến hành nghiên cứu các quá trình xúc tác. Đối với quá trình peroxydaza, thực nghiệm được tiến hành như sau: cho vào bình phản ứng lần lượt các dung dịch: dung môi nước cất hai lần, ligan H4L, ion kim loại chuyển tiếp Co2+, substrate (Ind), HClO4 hoặc NaOH (để điều chỉnh đến pH cần thiết của hỗn hợp phản ứng). Qua 1-2 phút thì cho H2O2, sao cho tổng thể tích của hỗn hợp phản ứng là 30ml. Thời điểm cho H2O2 vào được xem là mốc bắt đầu của quá trình oxy hoá Ind trong phản ứng xúc tác kèm theo sự mất màu của Ind. Do đó có thể theo dõi và xác định tốc độ phản ứng oxy hoá Ind (WInd) theo các biến thiên mật độ quang tại đỉnh cực đại hấp thụ ánh sáng tương ứng với các biến thiên thời gian (s) của chất màu đó (hình 2.2). D0 t D t(s) D Hình 2.2: Dạng tổng quát đường cong động học oxy hoá substrate. Thường thì cứ qua mỗi phút sau khi quá trình bắt đầu diễn ra thì lấy mẫu và ghi nhận được một giá tri (tương ứng khoảng thời gian (s)) trên máy quang phổ. Trên cơ sở đó tính được tốc độ quá trình oxy hoá Ind (WInd) theo công thức [30]. WInd = - W0 (M.l-1.s-1) (2.9) Trong đó W0 là tốc độ phản ứng không có xúc tác (phản ứng nền), (M.l-1.cm-1) – hệ số hấp thụ phân tử gam của Ind, d (cm) - độ dày cuvét. a -lg(WS) -lgCi Để xác định bậc phản ứng theo nồng độ của chất i, chúng ta phải đi thiết lập đồ thị phụ thuộc của -lg(WInd) vào - lgCi (Ci: là nồng độ của chất i), có dạng tổng quát: y = a.x + b như hình 2.3: Hình 2.3: Xác định bậc phản ứng theo phương pháp đồ thị. Từ đồ thị trên hình 2.3 chúng ta có thể xác định được bậc của phản ứng theo nồng độ chất i [6]: ni = tga Tất cả các hệ xúc tác đã cho được nghiên cứu trong điều kiện ưa khí, do đó đối với mỗi hệ xúc tác đều có kiểm ra sơ bộ về vai trò của oxy không khí hoà tan có ảnh hưởng đến quá trình xúc tác hay không. Chương 3 Kết qủA và thảo luận Để nghiên cứu một cách có hệ thống, chúng tôi lần lượt đi nghiên cứu từ hệ đơn giản (1) đến hệ phức tạp (2), (3), (4), (5), (6). 3.1. Động học quá trình xúc tác oxy hoá Ind trong hệ (1). H2O – Co2+ – H4L – Ind – H2O2: (với [Co 2+]0 10-5M) 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 0 30 60 90 120 150 180 1 2 3 4 5 6 7 t(s) D Ind 612 1.4 210 Đối với hệ (1), trước tiên hoạt tính xúc tác của hệ được nghiên cứu trong trường hợp khi chưa cho H4L vào, sau đó so sánh kết quả thu được với trường hợp có mặt H4L theo chiều nồng độ của H4L tăng dần. Để tránh hiện tượng thuỷ phân (TtCo(OH)2) =1,6.10-15 [5] , các thí nghiệm đều được tiến hành với nồng độ [Co2+]0 thấp (5.10-6M) và pH không qua cao (pH = 9). Các điều kiện và kết quả nghiên cứu động học của hệ (1) được trình bày trên hình 3.1(a, b): Hình 3.1(a): Sự biến đổi theo thời gian trong hệ (1): [Co2+]0 = 5.10-6M; [Ind]0 = 1,5.10-4M; [H2O2]0 = 2.10-2M; pH = 9,0. = (0, 1, 2, 3, 5, 8, 10) ứng với các đường cong (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7). 0 2 4 6 8 10 12 14 0 2 4 6 8 10 12 WInd.107 b Hình 3.1(b): Sự phụ thuộc của WInd vào trong hệ (1): [Co2+]0 =5.10-6M; [Ind]0 =1,5.10-4M; [H2O2]0 =2.10-2M; pH =9,0. Từ các kết quả thu được cho thấy: ở nồng độ [Co2+]0 thấp, khi = 0 (chưa cho H4L vào hệ) thì tốc độ phản ứng oxy hoá indigocamin (WInd) được xúc tác bằng ion Co2+, đạt giá trị lớn nhất. Khi có mặt H4L: Theo chiều tăng của (chiều tăng của nồng độ H4L) thì cân bằng dịch chuyển về phía tạo phức của Co2+ với H4L [1], [10], [11], [12] làm cho WInd bị giảm tương ứng. Điều đó chứng tỏ: ở nồng độ thấp thì ion Co2+ đơn giản có hoạt tính xúc tác cao hơn các dạng phức tương ứng được tạo thành trong hệ ở điều kiện đã cho. Kết quả thu được ở trên hoàn toàn phù hợp với kết quả của [4], khi nghiên cứu và so sánh hoạt tính xúc tác của ion Co2+ đơn giản với hoạt tính xúc tác của phức chất tạo bởi Co2+ với etylendiamin. Như đã trình bày trong phần tổng quan: các phức chất Mz+Ln thường có hoạt tính xúc tác cao hơn nhiều so với ion kim loại đơn giản tương ứng Mz+, thậm chí trong nhiều trường hợp, bản thân ion Mz+ không có hoạt tính xúc tác, nhưng phức chất Mz+Ln lại là phức chất xúc tác hữu hiệu [8], [10]. Trong trường hợp đang xét: phức Co2+ với H4L (với Co2+ ở nồng độ thấp) lại có hoạt tính thấp hơn so với hoạt tính của ion Co2+ đơn giản, hiện tượng khác thường này có thể được giải thích như sau: + Theo [4]: khi chuyển từ ion Co2+ tự do (hay nói chính xác hơn là Co2+ ở dạng hydrat) sang dạng tạo phức với ligan H4L, độ bền phức của Co2+ và Co3+ tăng cùng bậc. Do đó, thế khử của cặp Co3+/Co2+ (ở trong phức tương ứng) không thay đổi nhiều so với Co3+/Co2+ = 1,81V [5] (với Co3+ và Co2+ ở dạng tự do). Như vậy, khi tạo phức với H4L không tạo điều kiện cho sự ổn định của trạng thái hoá trị cao Co3+ và dẫn đến sự tạo phức với H4L càng nhiều thì hoạt tính xúc tác của hệ càng giảm. + Theo [62]: khi Co2+ ở nồng độ thấp và pH = 9 thì chủ yếu trong hệ tạo thành các phức chất một nhân không có hoạt tính xúc tác hoặc hoạt tính xúc tác rất nhỏ. Mặt khác, ligan H4L cũng đóng vai trò là tác nhân cạnh tranh gốc tự do OH* với các chất phản ứng (H2O2, Ind) (kH4L+OH* = 5,4.108) [2], [12], khi lớn nghĩa là nồng độ H4L tăng dẫn đến khả năng cạnh tranh gốc OH* của H4L tăng làm cho hoạt tính xúc tác của hệ giảm đi. 3.2. Động học quá trình xúc tác oxy hoá Ind trong hệ (2). H2O – Co2+ - H4L -Ind – H2O2: (với [Co 2+]0 = 10-4 2.10-3M) ở phần 3.1 chúng tôi đã nghiên cứu hoạt tính của ion Co2+ đơn giản ở nồng độ thấp với kết quả: hoạt tính xúc tác của phức Co2+ với H4L nhỏ hơn hoạt tính xúc tác của ion Co2+ đơn giản. Trong phần này chúng tôi tiếp tục tăng nồng độ của Co2+ và thay đổi các điều kiện phản ứng (nồng độ: H4L, H2O2, Ind…và pH) để tìm ra phức chất của Co2+ với H4L đóng vai trò xúc tác - có hoạt tính cao, quy luật động học và cơ chế của phản ứng peroxydaza. 3.2.1. ảnh hưởng của pH đến hệ (2). 0.1 0.3 0.5 0.7 0.9 1.1 1.3 0 30 60 90 120 150 180 210 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 t(s) Các điều kiện thực nghiệm và kết quả nghiên cứu sự ảnh hưởng của pH đến hệ (2) được trình bày trên hình 3.2 (a, b, c): Hình 3.2 (a): Sự biến đổi của hệ (2) theo thời gian: [Co2+]0 =10-3M; [H4L]0 =10-3M; [Ind]0 =1,5.10-4M; [H2O2]0 = 2.10-2M pH = (6; 7; 8; 8,75; 9; 9,25; 9,5; 9,75; 10; 10,25; 10,5) ứng với các đường cong: (1; 2; 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10; 11). Hình 3.2 (b): Sự phụ thuộc của WInd vào pH của hệ (2) 0 1 2 3 4 5 6 5 6 7 8 9 10 11 pH WInd.106 [Co2+]0 =10-3M; [H4L]0 =10-3M; [Ind]0 =1,5.10-4M; [H2O2]0 =2.10-2M 5 5.4 5.8 6.2 6.6 7 5.5 6.5 7.5 8.5 9.5 10.5 -lgWInd -lg[H+] y = - 0,1072x + 7,4448 y = - 0,6771x + 12,306 Hình 3.2 (c): Sự phụ thuộc của -lgWInd vào -lg[H+] của hệ (2) [Co2+]0 =10-3M; [H4L]0 =10-3M; [Ind]0 =1,5.10-4M; [H2O2]0 =2.10-2M Sự tạo phức giữa Co2+ cũng như Ni2+ với H4L diễn ra rất phức tạp (tạo thành rất nhiều dạng phức chất) và đã được tác giả [62], [10] nghiên cứu bằng phương pháp trễ từ hạt nhân trong khoảng pH rộng, từ môi trường axit đến môi trường kiềm. Các kết quả nghiên cứu về thành phần, độ bền và phần tỉ lệ nồng độ tương ứng của các phức được biểu thị ở bảng (3.1) và hình 3.2(d). Bảng 3.1: Thành phần và độ bền của các dạng phức Co2+ - H4L Phức CoH2L Co(H2L)22- Co(HL)24- CoHL- Co2(HL)L3- Co2L24- Độ bền (lgK) 4,0 5,3 7,6 5,7 19,7 22,8 2,0 4,0 6,0 8,0 10 20 40 60 80 100 (2) (1) (4) (3) (5) (6) 2 4 5 ai (%) WInd.106 (7) Hình 3.2 (d): Sự phân bố các dạng phức chất với phần tỉ lệ a% tương ứng) và hoạt tính của chúng (WInd) theo pH trong hệ (2): [Co2+]0 =5.10-3M; [H4L]0 =5.10-3M; [Ind]0 =1,5.10-4M; [H2O2]0 = 5.10-2M (1): aCoH2L; (2): a Co(H2L)22-; (3): a Co(HL)24-; (4): a CoHL-; (5): aCo2(HL)L3-; (6): a Co2L24-; (7): WInd (H2O2 + O2); Từ kết quả trên hình 3.2(d) cho thấy: trong khoảng pH đã cho có sáu dạng phức chất của Co2+ với H4L được tạo thành với các phần tỉ lệ nồng độ ai% tương ứng. Để xác định dạng phức chất nào đóng vai trò xúc tác cho quá trình oxy hoá Ind trong hệ (2), chúng tôi đã nghiên cứu sự phụ thuộc của tốc độ phản ứng oxy hoá (WInd) vào pH (đường số (7) trên đồ thị 3.2(d)). Sự đối chiếu các giá trị ai với WInd cho thấy: + Các phức chất từ số (1) đến số (5) được tạo thành ở pH 10 và ngay cả khi phần nồng độ của chúng đạt giá trị cực đại thì quá trình oxy hoá Ind vẫn chưa diễn ra (WInd (H2O2 + O2) = 0). + Tại pH 7 thì phức chất [Co2L2]4- với a6 bắt đầu được tạo thành bởi phản ứng [62] và phản ứng khử proton của phức chất số (5) trong môi trường kiềm [10], [8]: 2Co2+ + 2H4L [Co2L2]4- + 8H+ (3.1) Co2(HL)L3- [Co2L2]4- + H+ (3.2) Khi phức hai nhân [Co2L2]4- được hình thành thì phản ứng oxy hoá Ind cũng bắt đầu diễn ra: theo chiều tăng của pH thì cả WInd (H2O2 + O2) và a Co2L24- đều tăng nhanh và biến đổi tương đồng, ứng với các đường cong (6) và (7). Như vậy, trong tất cả các phức được tạo thành, chỉ có phức chất hai nhân đồng hạch Co2L24- có hoạt tính xúc tác lớn nhất, các phức chất còn lại có hoạt tính nhỏ hơn rất nhiều. Vì vậy có thể coi phức Co2L24- là chất xúc tác cho quá trình peroxydaza xảy ra trong hệ ở điều kiện đã cho. Các kết quả thực nghiệm trên các hình 3.2(a) và 3.2(b) cho thấy: tốc độ phản ứng peroxydaza bị ảnh hưởng rất nhiều bởi sự thay đổi pH. Trong khoảng pH = 6 8,75 thì tốc độ phản ứng tăng không đáng kể với bậc phản ứng tính theo nồng độ đầu của ion H+ có giá trị n = - 0,1072, khi tiếp tục tăng pH trong khoảng 8,75 10,5 thì tốc độ phản ứng tăng nhanh với bậc phản ứng tính theo nồng độ đầu của ion H+ là n = - 0,6771 và đặc biệt trong khoảng pH = 10 10,5 thì tốc độ phản ứng tăng lên rất nhanh. Có thể giải thích sự biến đổi tốc độ phản ứng theo pH như sau: + Khi pH tăng tức nồng độ ion H+ giảm thì cân bằng phân ly của H4L (cân bằng (3.3)) sẽ dịch chuyển về phía phải, tức là khi pH tăng thì cân bằng dịch chuyển về phía tạo ra L4-: H4LH3L-H2L2-HL3-L4- (3.3) + Trong khoảng pH = 6 8,75 nồng độ ion L4- tạo thành còn thấp, trong dung dịch tồn tại chủ yếu các ion (H3L-, H2L2-, HL3-). Vì vậy nồng độ phức-xúc tác [Co2L2]4- tạo thành là không đáng kể. Xúc tác cho phản ứng oxy hoá Ind lúc này chủ yếu là các dạng phức một nhân và ion Co2+ đơn giản với hoạt tính thấp, dẫn đến tốc độ phản ứng WInd nhỏ (các đường cong động học (1, 2, 3, 4) trên hình 3.3 (a) gần như nằm ngang). + Trong khoảng pH = 8,75 10,5 cân bằng (3.3) dịch chuyển sang phải làm cho ion L4- được tạo thành với nồng độ cao, thuận lợi cho sự tạo thành phức chất-xúc tác hai nhân [Co2L2]4- có hoạt tính cao, dẫn đến tốc độ phản ứng WInd tăng lên rất nhanh theo chiều tăng của nồng độ phức [Co2L2]4-. + Trong khoảng pH >10, lúc này theo tính toán thì 1028,4 tức là trong dung dịch tồn tại chủ yếu dạng L4- (phức chất tồn tại chủ yếu trong dung dịch là dạng phức-xúc tác hai nhân [Co2L2]4-). Mặt khác, với điều kiện pH như vậy thì bản thân phân tử O2 của không khí hoà tan cũng được hoạt hoá (có tác dụng oxy hoá Ind). Do đó tác nhân oxy hoá của hệ lúc này không phải chỉ có mình H2O2 mà là hỗn hợp hai chất gồm H2O2 và O2 dẫn đến hoạt tính xúc tác của hệ cũng là hoạt tính tổng cộng của H2O2 và O2. Vì vậy trong khoảng pH này