Luận văn Nghiên cứu tính chất catalaza của phức Mn2 + - His

hØ chøng minh ®­îc b»ng c¸c ph­¬ng ph¸p thùc nghiÖm mµ cßn chøng minh b»ng c¸c phÐp tÝnh ho¸ l­îng tö [5]. 1.4. Xóc t¸c oxi ho¸ c¸c hîp chÊt h÷u c¬ (Qu¸ tr×nh Peroxydaza) NÕu thay mét ph©n tö H2O trong ph­¬ng tr×nh b»ng mét ph©n tö hîp chÊt h÷u c¬ S (c¬ chÊt) th× ta sÏ ®­îc qu¸ tr×nh xóc t¸c oxy ho¸ c¬ chÊt S b»ng H2O2 t¹o ra s¶n phÈm P (Qu¸ tr×nh Peroxydaza) S + 2H2O2 2H2O + P (1.22) 1.4.1. HÖ MZ+ - H2O2 – S Nh­ ®· nªu, trong c¸c hÖ MZ+ - H2O2 chØ cã Fe2+ cã kh¶ n¨ng xóc t¸c (HÖ Fenton Fe2+- H2O2), cã kh¶ n¨ng oxy ho¸ cao v× sù ph©n huû H2O2 ®­îc xóc t¸c b»ng ion Fe2+, diÔn ra theo c¬ chÕ m¹ch gèc. Trong ®ã gèc tù do OH• ®­îc t¹o thµnh cã thÓ oxy ho¸ c¸c c¬ chÊt cã b¶n chÊt kh¸c nhau (KS+OH• ≈108 ÷1010 l.mol-1.s-1) trong m«i tr­êng axit pH = 1÷3 [9].  S¬ ®å c¬ chÕ 1.2 (M¹ch gèc) : Fe2+ Fe2+ + H2O2 Fe3+ + OH- + OH S + OH• P OH + H2O2 HO2 + H2O2 HO2 + Fe3+ Fe2+ + H+ + O2 Fe2+ + HO2• Fe3+ + HO2- Fe2+ + OH• Fe3+ + OH- ChÊt xóc t¸c K1 K2 K3 K4 K5 K6 - 32 - Xóc t¸c phøc ®ång thÓ Oxy ho¸ khö TÝnh chÊt Catalaza H2O - Mn2+ - H3BO3- His- H2O2 NguyÔn Hång V©n Trong s¬ ®å c¬ chÕ S bÞ OXH t¹o ra s¶n phÈm P bëi gèc tù do OH• ®­îc ph¸t sinh do kÕt qu¶ t­¬ng quan gi÷a Fe2+ ; H2O2. Do ®ã tèc ®é oxy ho¸ S (WS) tØ lÖ víi nång ®é Fe2+ ; H2O2 vµ S. MÆt kh¸c dùa vµo h»ng sè tèc ®é K1, K4, K5, K6 thÊy r»ng sù biÕn ®æi chÊt xóc t¸c Fe2+ thµnh d¹ng Fe3+ chiÕm ­u thÕ h¬n viÖc phôc håi xóc t¸c tõ Fe3+ vÒ d¹ng ho¹t ®éng Fe2+. Do ®ã qu¸ tr×nh xóc t¸c ph©n huû H2O2 vµ oxy ho¸ S bÞ dõng l¹i nhanh chãng. V× vËy hÖ MZ+ - H2O2 – S gÆp nhiÒu h¹n chÕ. §Ó kh¾c phôc ta chän ligan vµo ®Ó ho¹t ho¸ xóc t¸c. 1.4.2. C¸c hÖ MZ+-L-H2O2-S Khi cho ligan L vµo c¸c hÖ MZ+ - H2O2 –S ta sÏ ®­îc hÖ t­¬ng øng MZ+- H2O2 – L – S. Sù cã mÆt cña L trong c¸c hÖ nµy sÏ lµm cho qu¸ tr×nh xóc t¸c oxy ho¸-khö b»ng phøc LnMZ+ diÔn ra phøc t¹p h¬n nhiÒu, do ®ã cã thÓ dÉn ®Õn nh÷ng thay ®æi lín vÒ qui luËt ®éng häc vµ c¬ chÕ cña qu¸ tr×nh xóc t¸c oxy ho¸-khö. V× vËy nghiªn cøu qu¸ tr×nh peroxydaza trong c¸c hÖ MZ+ - L – H2O2 – S cÇn ph¶i gi¶i quyÕt c¸c vÊn ®Ò sau : X¸c ®Þnh cÊu t¹o, thµnh phÇn, ®é bÒn (h»ng sè bÒn tõng nÊc k vµ h»ng sè bÒn chung K), thÕ oxy ho¸-khö ϕ , nång ®é (phÇn tØ lÖ αm) cña tÊt c¶ c¸c d¹ng phøc chÊt ®­îc t¹o thµnh trong ®iÒu kiÖn xóc t¸c, trong ®ã cã d¹ng phøc [LnMZ+] (n=1,2,3) vµ sù ph©n bè c¸c d¹ng phøc ®ã theo nång ®é [L] hoÆc theo pH. Ph¸t hiÖn chøng minh vµ nghiªn cøu sù t¹o thµnh phøc trung gian ho¹t ®éng peroxo [LnMZ+H2O2SL],.NÕu phøc [LnMZ+] ch­a b·o hoµ phèi trÝ hoÆc t¹o thµnh phøc chÊt ph©n tö [MZ+Ln]H2O2SL nÕu [MZ+Ln] ®· b·o hoµ phèi trÝ. Nghiªn cøu sù ph©n huû phøc trung gian ho¹t ®éng : x¸c ®Þnh c¬ chÕ vËn chuyÓn electron (1,2,3 electron néi cÇu, ngo¹i cÇu) sù biÕn ®æi ho¸ häc cña c¸c tiÓu ph©n tham gia t¹o thµnh phøc trung gian, chøng minh sù ph¸t sinh c¸c gèc tù do OH•, HO2•, O2•,.trong thÓ tÝch ph¶n øng. Sù t¹o thµnh c¸c ion kim lo¹i cã tr¹ng th¸i ho¸ trÞ kh¸c nhau ë c¸c d¹ng phøc chÊt t­¬ng - 33 - Xóc t¸c phøc ®ång thÓ Oxy ho¸ khö TÝnh chÊt Catalaza H2O - Mn2+ - H3BO3- His- H2O2 NguyÔn Hång V©n øng [LnM(Z+1)+] , [LnM(Z+2)+] , [LnM(Z+3)+]Sù thiÕt lËp chu tr×nh oxy ho¸-khö thuËn nghÞch. B»ng thùc nghiÖm, thiÕt lËp c¸c biÓu thøc ®éng häc tèc ®é ban ®Çu cña qu¸ tr×nh xóc t¸c oxy ho¸ c¬ chÊt WS phô thuéc vµo nång ®é cña c¸c chÊt tham gia ph¶n øng, vµo m«i tr­êng. T×m ®­îc mèi quan hÖ phô thuéc t­¬ng dång cña WS vµ phÇn tØ lÖ nång ®é αm cña mét d¹ng phøc nµo ®ã vµo nång ®é ®Çu cña ligan [L]0 th­êng lµ tØ sè β=[L]0/[MZ+]0 hoÆc vµo pH cña m«i tr­êng ph¶n øng ®Ó x¸c ®Þnh d¹ng phøc chÊt ®ãng vai trß xóc t¸c b»ng ph­¬ng ph¸p ®éng häc. X¸c ®Þnh c¸c h»ng sè tèc ®é cña c¸c ph¶n øng giai ®o¹n b»ng thùc nghiÖm vµ b»ng tÝnh to¸n lý thuyÕt. 1.4.3. Mét sè nguyªn nh©n quan träng ¶nh h­ëng ®Õn c¬ chÕ cña qu¸ tr×nh Peroxydaza. 1.4.3.1. CÊu t¹o cÇu phèi trÝ cña phøc chÊt xóc t¸c : C¸c ®Æc tr­ng cÊu t¹o cÇu phèi trÝ cña phøc chÊt xóc t¸c LnMZ+ : tÝnh b·o hoµ hoÆc ch­a b·o hoµ phèi trÝ, sè vÞ trÝ phèi trÝ tù do, sù tån t¹i c¸c orbital thÝch hîp cßn l¹i cña MZ+, kh¶ n¨ng t­¬ng t¸c ph©n tö vµ vËn chuyÓn electron cña L, kh«ng chØ t¹o ®iÒu kiÖn thuËn lîi cho ph©n tö c¸c chÊt ph¶n øng S (Sr, SL), H2O2, phèi trÝ, ®Þnh h­íng vµ t­¬ng t¸c trùc tiÕp hoÆc gi¸n tiÕp (qua cÇu nèi ligan L) víi ion trung t©m MZ+, mµ cßn cho c¸c ph©n tö ®Þnh h­íng, t­¬ng t¸c lÉn nhau, dÉn dÕn sù t¹o thµnh c¸c phøc trung gian ho¹t ®éng kh¸c nhau : [LnMZ+H2O2SL],[LnMZ+]H2O2SL trong ®ã c¬ chÕ vËn chuyÓn electron vµ c¸c biÕn ®æi ho¸ häc, sù ph©n huû c¸c phøc trung gian,phô thuéc vµo b¶n chÊt c¸c tiÓu ph©n hîp thµnh vµ ®iÒu kiÖn ph¶n øng. 1.4.3.2. CÊu tróc electron cña ion trung t©m ë c¸c ion kim lo¹i chuyÓn tiÕp, do ®Æc ®iÓm cÊu tróc electron vµ n¨ng l­îng gi÷a c¸c orbital ns, np vµ (n-1)d, nªn kh¶ n¨ng lai ho¸ cña c¸c orbital nµy lµ rÊt cao. C¸c orbital lai ho¸ dsp2, d2sp3, d5sp2 cña MZ+ ®­îc sö dông ®Ó t¹o thµnh liªn kÕt cho nhËn, liªn kÕt π ng­îc, c¸c MO ®a t©m víi ligan L vµ - 34 - Xóc t¸c phøc ®ång thÓ Oxy ho¸ khö TÝnh chÊt Catalaza H2O - Mn2+ - H3BO3- His- H2O2 NguyÔn Hång V©n c¸c chÊt ph¶n øng, lµm t¨ng sè liªn kÕt phèi trÝ mµ MZ+ cã thÓ tham gia so víi sè liªn kÕt theo thuyÕt ho¸ trÞ, t¨ng kh¶ n¨ng vËn chuyÓn, cho nhËn electron§ã lµ nh÷ng nguyªn nh©n lµm thay ®æi cÊu tróc, c¸c tÝnh chÊt kh«ng chØ ®èi víi MZ+ mµ ë c¶ c¸c chÊt tham gia phèi trÝ : L, S (Sr, SL), H2O2, dÉn ®Õn sù thay ®æi lín tèc ®é vµ c¬ chÕ cña qu¸ tr×nh xóc t¸c b»ng phøc chÊt [34]. 1.4.3.3. B¶n chÊt ligan L Trong mét hÖ xóc t¸c, khi thay ®æi ligan cã b¶n chÊt kh¸c nhau, cã thÓ dÉn ®Õn sù h×nh thµnh c¸c phøc chÊt xóc t¸c cã cÊu tróc kh¸c nhau vµ do ®ã c¬ chÕ cña qu¸ tr×nh xóc t¸c còng bÞ thay ®æi. Ligan t­¬ng t¸c víi ion MZ+ kh«ng nh÷ng chØ t¹o ra hay kh«ng t¹o ra kh¶ n¨ng thuËn lîi cho sù phèi trÝ tiÕp theo cña ph©n tö chÊt ph¶n øng, nghÜa lµ ¶nh h­ëng tíi sù t¹o thµnh c¸c MO thuËn lîi hay kh«ng thuËn lîi theo quan ®iÓm qui t¾c b¶o toµn tÝnh ®èi xøng cña c¸c MO, mµ cßn cã thÓ ®ãng vai trß lµ cÇu vËn chuyÓn electron, ®Æc biÖt lµ c¸c ligan cã liªn kÕt π lu©n hîp (L=phen, Dipy) ®èi víi tr­êng hîp phøc chÊt xóc t¸c ®· b·o hoµ phèi trÝ, qu¸ tr×nh xóc t¸c oxy ho¸ substrate chØ cã thÓ diÔn ra nhê sù vËn chuyÓn electron theo c¬ chÕ ngo¹i cÇu gi÷a MZ+, H2O2 vµ S (Sr, SL) gi¸n tiÕp qua L trong phøc trung gian ho¹t ®éng [LnMZ+]H2O2SL,,[2] thÝ dô : [Co2+(phen)3]H2O2.Ind (Indigocamin) [9]. 1.4.3.4. B¶n chÊt substrate (S) ¶nh h­ëng b¶n chÊt cña substrate ®Õn c¬ chÕ cña qu¸ tr×nh peroxydaza ®­îc biÓu hiÖn ë kh¶ n¨ng c¹nh tranh víi c¸c ph©n tö dung m«i trong viÖc giµnh vÞ trÝ phèi trÝ trong néi cÇu cña phøc chÊt xóc t¸c. NÕu cho substrate lµ ligan m¹nh (SL) t¹o liªn kÕt ®ñ bÒn víi MZ+, lµm thay ®æi c¸c tÝnh chÊt ®iÖn ho¸ ( thÕ oxy ho¸-khö ) cña phøc chÊt xóc t¸c LnMZ+ th× qu¸ tr×nh ph©n huû H2O2 vµ oxy ho¸ SL trong c¸c hÖ MZ+ - L – - 35 - Xóc t¸c phøc ®ång thÓ Oxy ho¸ khö TÝnh chÊt Catalaza H2O - Mn2+ - H3BO3- His- H2O2 NguyÔn Hång V©n H2O2 – SL cã thÓ diÔn ra theo c¬ chÕ néi cÇu víi sù vËn chuyÓn 2 electron trong mét giai ®o¹n : S¬ ®å c¬ chÕ (vËn chuyÓn 2 electron) [LnMZ+] + H2O2 [LnMZ+H2O2] [LnMZ+H2O2] + SL [LnMZ+H2O2SL] [LnM Z+ H2O2SL] [LnM Z+] + P + 2OH- Tuy vËy, kh¶ n¨ng phèi trÝ cña substrate víi phøc chÊt xóc t¸c còng chØ lµ mét trong c¸c tiªu chuÈn ®Ó xem xÐt, x¸c ®Þnh c¬ chÕ ho¹t ®éng xóc t¸c cña LnMZ+, bëi v× ngoµi b¶n chÊt cña substrate cßn cã nhiÒu yÕu tè kh¸c ¶nh h­ëng ®Õn qu¸ tr×nh xóc t¸c. §iÒu kiÖn ph¶n øng : Quy luËt ®éng häc vµ c¬ chÕ cña qu¸ tr×nh xóc t¸c ®ång thÓ oxy ho¸- khö b»ng phøc chÊt kh«ng nh÷ng chØ phô thuéc vµo cÊu t¹o, tÝnh chÊt cña MZ+, L, S (Sr, SL), H2O2, mµ cßn vµo ®iÒu kiÖn tiÕn hµnh qu¸ tr×nh xóc t¸c : t­¬ng quan nång ®é c¸c chÊt tham gia ph¶n øng, pH cña dung dÞch, O2 cña kh«ng khÝ hoµ tan, ¸nh s¸ngbëi v× c¸c tiÓu ph©n cña c¸c chÊt nãi trªn ®ång thêi tham gia vµo nhiÒu c©n b»ng nhiÖt ®éng kh¸c nhau. §iÒu quan träng lµ ®èi víi mçi hÖ xóc t¸c cô thÓ cÇn ph¶i t×m c¸c ®iÒu kiÖn tèi ­u b»ng c¸ch biÕn thiªn t­¬ng quan nång ®é gi÷a c¸c chÊt ph¶n øng, pHsao cho c¸c c©n b»ng chuyÓn dÞch vÒ phÝa d¹ng phøc ®ãng vai trß xóc t¸c, phøc trung gian ho¹t ®éng cã cÊu t¹o, thµnh phÇn, ®é bÒn, thÕ oxy ho¸-khö,x¸c ®Þnh, ®¶m b¶o cho qu¸ tr×nh xóc t¸c diÔn ra víi tèc ®é vµ ®é chän läc cao theo h­íng cã lîi ®· ®Þnh tr­íc. 1.4.4. Mèi liªn hÖ gi÷a qu¸ tr×nh Catalaza vµ Peroxydaza 2e 2e - 36 - Xóc t¸c phøc ®ång thÓ Oxy ho¸ khö TÝnh chÊt Catalaza H2O - Mn2+ - H3BO3- His- H2O2 NguyÔn Hång V©n NÕu thªm vµo trong c¸c hÖ MZ+ - H2O2, MZ+ - L – H2O2 mét hîp chÊt h÷u c¬ th× d­íi t¸c dông cña chÊt xóc t¸c lµ c¸c ion kim lo¹i phæ biÕn lµ phøc chÊt cña chóng, LnMZ+S bÞ H2O2 oxy ho¸ thµnh s¶n phÈm P vµ H2O theo ph¶n øng : H2O2 + S P + H2O Trong c¸c hÖ t­¬ng øng MZ+-H2O2-S, MZ+-L-H2O2-S, qu¸ tr×nh nµy ®ùîc gäi lµ qu¸ tr×nh Peroxydaza t­¬ng tù nh­ qu¸ tr×nh oxy ho¸ S trong c¬ thÓ sèng. Cho ®Õn nay ®· cã nhiÒu c«ng tr×nh nghiªn cøu qu¸ tr×nh oxy ho¸ S trong hÖ Mz+-H2O2-S (thùc tÕ chØ tiÕn hµnh víi hÖ cña ion Fe2+). Qu¸ tr×nh OXH S d­íi t¸c dông cña phøc [LnMZ+] Ýt ®­îc ®Ò cËp ®Õn. Do ®ã nghiªn cøu qu¸ tr×nh peroxydaza trong hÖ MZ+-L-H2O2-S thùc chÊt lµ gi¶i quyÕt mét c¸ch cã hÖ thèng, toµn diÖn vµ ®ång bé c¸c vÊn ®Ò c¬ b¶n thuéc vÒ nÒn t¶ng lý thuyÕt cña xóc t¸c oxy ho¸-khö b»ng phøc chÊt c¸c ion kim lo¹i chuyÓn tiÕp ®ång thêi ®¸p øng ®­îc c¸c yªu cÇu míi cña s¶n xuÊt hiÖn ®¹i. NhiÒu kÕt qu¶ nghiªn cøu cho thÊy : Mét phøc chÊt LnMZ+ cã ho¹t tÝnh catalaza th× ®ång thêi còng cã ho¹t tÝnh peroxydaza v× c¸c tiÓu ph©n trung gian cã kh¶ n¨ng OXH cao OH•, LnM(Z+1)+, LnM(Z+2)+t¹o thµnh do qu¸ tr×nh ph©n huû xóc t¸c H2O2 sÏ oxy ho¸ c¸c substrate ®­îc ®­a vµo hÖ. Trªn thùc tÕ cã thÓ coi qu¸ tr×nh catalaza lµ giai ®o¹n ®Çu cña qu¸ tr×nh peroxydaza. Tõ ®ã cã thÓ gi¶ thiÕt c¬ chÕ cña qu¸ tr×nh peroxydaza sÏ t­¬ng tù nh­ c¬ chÕ cña qu¸ tr×nh catalaza trong c¸c hÖ t­¬ng ®ång. Tuy nhiªn, tuú thuéc vµo qu¸ tr×nh cô thÓ mµ c¬ chÕ cña qu¸ tr×nh peroxydaza cã sù thay ®æi so víi qu¸ tr×nh catalaza t­¬ng øng. Nh­ vËy, kiÕn thøc vÒ c¬ chÕ nguyªn t¾c cña qu¸ tr×nh catalaza lµ c¬ së thuËn lîi cho viÖc chøng minh ph¶n øng nhiÒu giai ®o¹n nèi tiÕp nhau trong qu¸ tr×nh peroxydaza. Ng­îc l¹i, sù kh¼ng ®Þnh b»ng thùc nghiÖm vÒ c¬ chÕ LnM - 37 - Xóc t¸c phøc ®ång thÓ Oxy ho¸ khö TÝnh chÊt Catalaza H2O - Mn2+ - H3BO3- His- H2O2 NguyÔn Hång V©n cña qu¸ tr×nh peroxydaza l¹i lµ c¸c b»ng chøng bæ sung vÒ sù diÔn biÕn cña qu¸ tr×nh catalaza theo c¬ chÕ nµy hay c¬ chÕ kh¸c. 1.4.5. ý nghÜa khoa häc vµ thùc tiÔn cña viÖc nghiªn cøu xóc t¸c ®ång thÓ OXHK b»ng phøc chÊt Nghiªn cøu c¸c qu¸ tr×nh xóc t¸c ®ång thÓ oxy ho¸-khö b»ng phøc chÊt ion c¸c kim lo¹i chuyÓn tiÕp cã ý nghÜa khoa häc vµ thùc tiÔn quan träng phong phó tr­íc m¾t còng nh­ l©u dµi cã liªn quan ®Õn nhiÒu lÜnh vùc kh¸c nhau. X©y dùng lý thuyÕt vÒ xóc t¸c ®ång thÓ oxy ho¸-khö b»ng phøc chÊt gãp phÇn ph¸t triÓn xóc t¸c chung. §èi víi lÜnh vùc xóc t¸c ®ång thÓ oxy ho¸-khö cÇn ph¶i nghiªn cøu mét c¸ch hÖ thèng, toµn diÖn vµ s©u s¾c., tÝch luü c¸c sè liÖu vÒ c¸c vÊn ®Ò c¬ b¶n mang tÝnh míi khoa häc. §iÒu cã ý nghÜa quyÕt ®Þnh ®èi víi vÊn ®Ò nµy lµ nghiªn cøu t¹o ra ®­îc c¸c phøc chÊt xóc t¸c ho¹t ®éng theo nguyªn lý vËn chuyÓn nhiÒu electron trong mét giai ®o¹n, t­¬ng tù nh­ t©m ho¹t ®éng cña c¸c chÊt xóc t¸c men cho nhiÒu qu¸ tr×nh c«ng nghÖ míi nhiÒu triÓn väng mµ thÕ giíi ®ang rÊt quan t©m : Ho¹t ho¸ c¸c ph©n tö nhá H2, H2O2, N2, CO, CO2, C2H2, ankan, chÕ biÕn hydrocacbua tù nhiªn cña dÇu má khÝ vµ than chuyÓn ho¸ n¨ng l­îng mÆt trêi thµnh ho¸ n¨ng Xóc t¸c ®ång thÓ oxy ho¸-khö b»ng phøc chÊt vµ vÊn ®Ò c«ng nghiÖp thÝch øng víi m«i tr­êng. VÊn ®Ò quan träng hiÖn nay lµ ph¸t triÓn kinh tÕ kh«ng thÓ t¸ch rêi m«i tr­êng, tÝnh ­u viÖt tÝnh míi khoa häc vµ kh¶ n¨ng øng dông thùc tiÔn phong phó ®a d¹ng cña xóc t¸c ®ång thÓ oxy ho¸-khö b»ng phøc chÊt ngµy cµng hÊp dÉn, kÝch thÝch sù nghiªn cøu t×m kiÕm c¸c chÊt xóc t¸c míi ®Ó cã thÓ thùc hiÖn, ®iÒu khiÓn c¸c qu¸ tr×nh c«ng nghÖ diÔn ra ë ®iÒu kiÖn mÒm víi tèc ®é lín vµ ®é chän läc cao, gi¶m tiªu hao n¨ng l­îng, tiÕt kiÖm ho¸ chÊt nguyªn liÖu, kh«ng cã hoÆc Ýt chÊt th¶i. NÕu cã chÊt th¶i nhÊt lµ c¸c chÊt th¶i ®éc h¹i - 38 - Xóc t¸c phøc ®ång thÓ Oxy ho¸ khö TÝnh chÊt Catalaza H2O - Mn2+ - H3BO3- His- H2O2 NguyÔn Hång V©n th× cÇn ph¶i chuyÓn thµnh nguyªn liÖu thø cÊp hoÆc thµnh chÊt kh«ng ®éc tr­íc khi th¶i vµo m«i tr­êng, gi¶i quyÕt tËn gèc sù « nhiÔm khÝ quyÓn, n­íc sinh ho¹t, n­íc th¶i c«ng nghiÖp, ®« thÞ t¸c nh©n chÝnh cña ph¸ ho¹i tµi nguyªn ®Êt n­íc Xóc t¸c phøc ®ång thÓ Oxy ho¸ khö TÝnh chÊt Catalaza H2O - Mn2+ - H3BO3- His- H2O2 NguyÔn Hång V©n -- 38 - Ch­¬ng 2 C¬ së thùc nghiÖm vµ c¸c ph­¬ng ph¸p nghiªn cøu 2.1. C¸c hÖ xóc t¸c ®­îc chän ®Ó nghiªn cøu Nh­ ®· tr×nh bµy trong phÇn më ®Çu mèi quan t©m chÝnh trong luËn v¨n lµ t×m hiÓu kh¶ n¨ng xóc t¸c cña phøc Mn2+ víi Histi®in trong ph¶n øng Catalaza H2O- Mn2+- His - H2O2. Song v× c¸c xóc t¸c dång thÓ rÊt nh¹y c¶m víi ®iÒu kiÖn m«i tr­êng, ®Æc biÖt lµ víi pH cña dung dÞch nªn ng­êi ta th­êng dïng c¸c dung dÞch ®Öm ®Ó æn ®Þnh m«i tr­êng xóc t¸c.Trong tr­êng hîp nµy thÝch hîp nhÊt lµ dïng ®Öm borat ®­îc pha theo ph­¬ng ph¸p Lurie[37]. Khi ®ã hÖ xóc t¸c ®­îc nghiªn cøu sÏ trë thµnh nh­ sau: H2O- Mn2+- His- H3BO3- H2O2 §Ó kh¼ng ®Þnh sù ­u viÖt cña xóc t¸c phøc trong qu¸ tr×nh ph©n huû H2O2 víi sù gi¶i phãng ra «xi ph©n tö chóng t«i ®· lÇn l­ît kh¶o s¸t c¸c hÖ sau: H2O- Mn2+- His -H3BO3- H2O2 (1) H2O - Mn2+- His - In- H3BO3 - H2O2 (2) Trong ®ã : Mn2+ : Ion kim lo¹i chuyÓn tiÕp t¹o phøc; His (Histi®in) : Ligan t¹o phøc . H2O2: ChÊt «xi ho¸. H3BO3 : §Öm Borat. C¸c chÊt øc chÕ (In) lµ: Hidroquinon(Hq), Axit asc«bic (Ac), Paranitrozo dimetyl anilin (Pa) Xóc t¸c phøc ®ång thÓ Oxy ho¸ khö TÝnh chÊt Catalaza H2O - Mn2+ - H3BO3- His- H2O2 NguyÔn Hång V©n -- 39 - 2.2. S¬ l­îc vÒ c¸c chÊt tham gia ph¶n øng 2.2.1. Ion kim lo¹i t¹o phøc Mn2+ TÝnh chÊt cña ion trung t©mMn2+ CÊu tróc líp vá :3d5 4s0 4p0 B¸n kÝnh ion Mn2+ lµ 0,91 Ao,(b¸n kÝnh nguyªn tö lµ 1,366 Ao) ThÕ khö chuÈn : ϕ Mn/Mn 2+ =-1.18v N¨ng l­îng ion ho¸ E = 33,68ev Muèi cña Mn2+ bÞ thuû ph©n Mét sè c«ng tr×nh khoa häc ®· chØ ra r»ng trong ®iÒu kiÖn b×nh th­êng Mn2+ kh«ng cã ho¹t tÝnh xóc t¸c nh­ng khi t¹o phøc víi c¸c ligan th× phøc ®­îc t¹o thµnh cã ho¹t tÝnh xóc t¸c rÊt m¹nh[4][7][9]. Do ®ã viÖc chän ligan thÝch hîp ®Ó t¹o phøc víi Mn2+ t¹o ra phøc chÊt cã ho¹t tÝnh xóc t¸c m¹nh lµ c«ng viÖc cÇn thiÕt nh»m më réng kh¶ n¨ng øng dông cña c¸c hÖ xóc t¸c ®ång thÓ. 2.2.2. Ligan lµ Histidin (His) Histi®in lµ amin axit cã c«ng thøc lµ: Histi®in lµ mét amin axit yÕu cã kh¶ n¨ng t¹o phøc chÊt víi c¸c ion kim lo¹i nh­ : Mn2+ , Fe2+, Co2+, Ni2+, Cu2+. Kh¶ n¨ng ph©n ly ra ion H+ víi c¸c pK1= 2.28 t­¬ng øng víi nhãm -COOH, pK2= 6.97 t­¬ng øng víi nhãm- NH+, pK3= 9.68 t­¬ng øng víi nhãm -NH3+[36]. N C CH2 CH COOH CH CH CH NH2 NH Xóc t¸c phøc ®ång thÓ Oxy ho¸ khö TÝnh chÊt Catalaza H2O - Mn2+ - H3BO3- His- H2O2 NguyÔn Hång V©n -- 40 - 2.2.3. ChÊt «xi ho¸ H2O2 ChÊt «xi ho¸ ®­îc chän lµ H2O2 (ngoµi ra cã thÓ cã O2 hoµ tan trong dung dÞch nh­ng víi mét l­îng rÊt nhá). Ph¶n øng xóc t¸c ph©n huû H2O2 b»ng phøc chÊt lµ m« h×nh thÝch hîp nhÊt cho viÖc nghiªn cøu thiÕt lËp qui luËt ®éng häc vµ c¬ chÕ cña c¸c qu¸ tr×nh xóc t¸c ®ång thÓ «xy ho¸ khö phøc t¹p . D­íi t¸c dông ho¹t ho¸ cña c¸c phøc chÊt xóc t¸c H2O2 sÏ trë thµnh chÊt «xi ho¸ m¹nh, lµ nguån ph¸t sinh gèc tù do OH* vµ O2 (1∇g ), rÊt ho¹t ®éng thuÇn khiÕt vÒ mÆt sinh th¸i, cã thÓ tham gia t­¬ng t¸c, chuyÓn ho¸ nhiÒu lo¹i hîp chÊt kh¸c nhau (ankan, anken, ankin, phenol, r­îu, SO2, CO.) trong c¸c qu¸ tr×nh tæng hîp h÷u c¬, chÕ biÕn c¸c s¶n phÈm dÇu khÝ polime ho¸, ph©n huû c¸c chÊt ®éc h¹i trong xö lý c¸c chÊt th¶i c«ng nghiÖp, b¶o vÖ m«i tr­êng.. Sö dông H2O2 thuËn tiÖn cho viÖc theo dâi tèc ®é cña qu¸ tr×nh xóc t¸c «xi ho¸ khö b»ng c¸ch ®o thÓ tÝch «xi tho¸t ra ( trong qu¸ tr×nh catalaza) hoÆc sù biÕn ®æi m©t ®é quang cña c¬ chÊt mang mÇu (trong qu¸ tr×nh per«xi®aza) 2.2.4. Vai trß cña H3BO3 Axit boric lµ axit mét nÊc vµ rÊt yÕu, yÕu h¬n axit c¸cbonic[4] H3BO3 + H2O [B(OH)4]- + H+ K =10-9 §é tan cña axit boric lµ 5 [5], dung dÞch ®Öm borat lµ muèi cña axit boric. ChØ cã borat cña kim lo¹i kiÒm míi tan trong n­íc cßn borat cña c¸c kim lo¹i kh¸c ®Òu khã tan trong n­íc. Natri borat Na2B4O7.10H2O khi tan trong n­íc bÞ thuû ph©n Na2B4O7 + 7H2O 4H3BO3 + 2NaOH Do ®ã dung dÞch cña borat cã ph¶n øng kiÒm m¹nh, cã thÓ chuÈn ®é ®­îc b»ng HCl víi chÊt chØ thÞ lµ Mªtyl da cam. Do ®ã ng­êi ta th­êng dïng borat tinh khiÕt ®Ó pha dung dÞch ®Öm. Xóc t¸c phøc ®ång thÓ Oxy ho¸ khö TÝnh chÊt Catalaza H2O - Mn2+ - H3BO3- His- H2O2 NguyÔn Hång V©n -- 41 - T¸c dông cña dung dÞch ®Öm cã thÓ duy tr× ®­îc pH cña dung dÞch æn ®Þnh ë gi¸ trÞ tèi ­u mong muèn cho ®Õn cuèi ph¶n øng. MÆt kh¸c H3BO3 ë kho¶ng nång ®é thÝch hîp cßn cã t¸c dông phô trî cho qu¸ tr×nh t¹o phøc xóc t¸c, lµm cho tèc ®é cña ph¶n øng lín h¬n khi kh«ng cã ®Öm. Nguyªn nh©n lµ do sù t¹o thµnh liªn kÕt hi®ro gi÷a H2O2 vµ H3BO3 t¹o phøc chÊt peroxoborat [H2O2B(OH)3] hç trî phøc chÊt xóc t¸c. 2.2.5. Vai trß cña chÊt øc chÕ: C¸c chÊt øc chÕ (In) cã hiÖu qu¶ vµ chØ t­¬ng t¸c víi gèc tù do OH* lµ Hydroquinon (Hq), Ascobic (Ac), Paranitrozodimªtylanilin (Pa). B¶ng 2.2.5: TÝnh chÊt ®Æc tr­ng cña mét sè chÊt øc chÕ. C¸c chÊt øc chÕ cã hiÖu qu¶ cao vµ cã kh¶ n¨ng c¹nh tranh lÉn nhau ®Ó giµnh gèc tù do OH* ®· ®­îc chØ râ trong b¶ng. Khi cho mét l­îng nhá chÊt øc chÕ (10-5 ÷10-4 mol/l) vµo m«i tr­êng ph¶n øng, th× tèc ®é qu¸ tr×nh xóc t¸c bÞ C¸c chÊt øc chÕ KInd+OH 2 (LM-1S1) pH=7 KInd+OH 2 (LM-1S-1) λmax (Nm) ωmax (LM-1S-1) Hy®roquinon(Hq) C6H4(OH)2 12.109 288 3.103 Ascobic(Ac) C6H8O6 7,2.109 265 Paranitrozodimetyl anilin O2N-C6H4-N(CH3)2 18.109 440 3,42.104 Xóc t¸c phøc ®ång thÓ Oxy ho¸ khö TÝnh chÊt Catalaza H2O - Mn2+ - H3BO3- His- H2O2 NguyÔn Hång V©n -- 42 - gi¶m ®i (víi chÊt øc chÕ yÕu) hoÆc sÏ bÞ k×m h·m hoµn toµn víi sù xuÊt hiÖn chu kú c¶m øng τ(s), (nÕu lµ chÊt øc chÕ m¹nh). Khi l­îng chÊt øc chÕ ®· ph¶n øng hÕt víi gèc O*H tèc ®é qu¸ tr×nh xóc t¸c l¹i nhanh chãng ®¹t ®­îc gi¸ trÞ gÇn nh­ khi kh«ng cã chÊt øc chÕ - dÊu hiÖu ®Æc tr­ng cña c¬ chÕ m¹ch gèc [29] 2.3. C¸c ph­¬ng ph¸p nghiªn cøu Qu¸ tr×nh nghiªn cøu ®­îc thùc hiÖn trªn c¬ së chän läc, phèi hîp c¸c ph­¬ng ph¸p ho¸ lý vµ vËt lý sao cho thÝch hîp víi ®iÒu kiÖn cña xóc t¸c, tÝnh ®Æc thï vµ néi dung cña mçi vÊn ®Ò cÇn nghiªn cøu. VÒ mÆt ®Þnh tÝnh (c¬ chÕ nguyªn t¾c): cÇn x¸c ®Þnh chøng minh d¹ng phøc chÊt ®ãng vai trß chÊt xóc t¸c (phøc ®¬n nh©n, ®a nh©n, phøc chÊt ®· b·o hoµ hay ch­a b·o hoµ phèi trÝ....). C¸c tiÓu ph©n trung gian (phøc trung gian hoat ®éng hay kh«ng ho¹t ®éng c¸c gèc tù do OH*, HO2*...), c¬ chÕ vËn chuyÓn electron... VÒ mÆt ®Þnh l­îng: §ßi hái ph¶i biÕt ®­îc h»ng sè t­¬ng t¸c cña c¸c tiÓu ph©n trung gian ho¹t ®éng trong ®ã cã gèc tù do OH* , HO2*, víi c¸c substrate(S). Víi c¸c néi dung trªn trong ph¹m vi luËn v¨n nµy chóng t«i ®· sö dông c¸c ph­¬ng ph¸p sau : Ph­¬ng ph¸p ®éng häc : X¸c ®Þnh c¸c biÓu thøc ®éng häc tèc ®é ph¶n øng xóc t¸c dùa trªn nghiªn cøu c¸c yÕu tè ¶nh h­ëng ®Õn tèc ®é ph¶n øng. Sù t¹o thµnh phøc chÊt ®¬n nh©n hay ®a nh©n (dùa trªn c¬ së bËc ph¶n øng theo nång ®é cña ion kim lo¹i t¹o phøc). Tõ ®ã x¸c ®Þnh ®­îc qui luËt ®éng häc vµ ®iÒu kiÖn tèi ­u cho qu¸ tr×nh xóc t¸c. Ph­¬ng ph¸p chÊt øc chÕ vµ chÊt c¹nh tranh : Ph¸t hiÖn vµ chøng minh sù ph¸t sinh hay kh«ng ph¸t sinh gèc tù do OH*, HO2*, O2*......Thø tù ph¸t sinh tr­íc, sau, ë giai ®o¹n nµo cña mçi gèc ®ã vµ x¸c ®Þnh vÒ mÆt ®Þnh l­îng kh¶ n¨ng ph¶n øng cña chóng. Tõ ®ã thiÕt lËp ®­îc c¬ chÕ nguyªn t¾c cña qu¸ tr×nh ph©n huû H2O2 b»ng xóc t¸c phøc Mn2+- His. Xóc t¸c phøc ®ång thÓ Oxy ho¸ khö TÝnh chÊt Catalaza H2O - Mn2+ - H3BO3- His- H2O2 NguyÔn Hång V©n -- 43 - HiÖn nay ph­¬ng ph¸p sö dông c¸c chÊt øc chÕ vµ chÊt c¹nh tranh ®­îc xem lµ thÝch hîp vµ cã hiÖu lùc tèt ®Ó nghiªn cøu c¬ chÕ qu¸ tr×nh xóc t¸c. B»ng ph­¬ng ph¸p nµy cã thÓ x¸c ®Þnh c¸c gèc tù do víi nång ®é rÊt nhá 10-7÷10-10 M mµ ph­¬ng ph¸p céng h­ëng ®iÖn tõ kh«ng x¸c ®Þnh ®­îc. Ph­¬ng ph¸p xö lý sè quèc tÕ AXIL Nhê sù ph¸t triÓn cña c¸c ph­¬ng ph¸p tÝnh to¸n vµ sö lý sè liÖu, ngµy nay nhiÒu ch­¬ng tr×nh sö lý sè ®· ®­îc ch­¬ng tr×nh ho¸ cao vµ n¹p vµo c¸c bé nhí cña m¸y vi tÝnh. Ch­¬ng tr×nh quèc tÕ AXIL gióp chóng ta t×m ®­îc gi¸ trÞ gÇn dóng nhÊt cña mét qui luËt th«ng qua gi¸ trÞ thùc nghiÖm. 2.4. Ho¸ chÊt vµ thiÕt bÞ nghiªn cøu C¸c ho¸ chÊt dïng trong thùc nghiÖm nh­ : MnSO4.H2O, Na2B4O7, His, H2O2 HCl..®Òu cã ®é s¹ch PA. Dung m«i lµ n­íc cÊt hai lÇn. Dung dÞch ®Öm borats ®­îc chuÈn bÞ theo ph­¬ng ph¸p Lurie.[37] Ligan his ®­îc pha tõ dung dÞch gèc PA ChÊt xóc t¸c ®­îc ®iÒu chÕ tõ MnSO4.H2O vµ Histidin ChÊt øc chÕ Hq(Hi®roquinon), Ac ( axit asc«bic), Pa(Paranitrozo®imetyl anilin) Nång ®é H2O2 ®­îc x¸c ®Þnh b»ng ph­¬ng ph¸p chuÈn ®é pemangannat. ChuÈn bÞ ®Çy ®ñ c¸c dông cô ®Ó lµm thÝ nghiÖm : pipÐt c¸c lo¹i cã thÓ tÝch kh¸c nhau, lä ®ùng ho¸ chÊt,®ång hå bÊm gi©y ThiÕt bÞ sö dông ThiÕt bÞ æn nhiÖt U-10 M¸y khuÊy tõ M10 Burets khÝ ®Ó ®o thÓ tÝch khÝ oxi M¸y ®o pH metter lo¹iDelta-320 Xóc t¸c phøc ®ång thÓ Oxy ho¸ khö TÝnh chÊt Catalaza H2O - Mn2+ - H3BO3- His- H2O2 NguyÔn Hång V©n -- 44 - H×nh 2.1: ThiÕt bÞ nghiªn cøu qu¸ tr×nh xóc t¸c 2.5. Ph­¬ng ph¸p vµ c¸c b­íc tiÕn hµnh nghiªn cøu c¸c hÖ §èi víi qu¸ tr×nh catalaza, thùc nghiÖm ®­îc tiÕn hµnh nh­ sau: Cho vµo b×nh ph¶n øng lÇn l­ît c¸c dung dÞch : Dung dÞch ®Öm H3BO3 (thay cho dung m«i lµ n­íc cÊt hai lÇn) cã t¸c dông gi÷ cho pH cña dung dÞch kh«ng thay ®æi trong suèt qu¸ tr×nh thÝ nghiÖm. 1-B×nh ph¶n øng 4-M¸y ®iÒu nhiÖt 2-B×nh ®o thÓ tÝch 5- B×nh c©n b»ng ¸p suÊt 3-M¸y khuÊy tõ 4 3 1 2 5 Xóc t¸c phøc ®ång thÓ Oxy ho¸ khö TÝnh chÊt Catalaza H2O - Mn2+ - H3BO3- His- H2O2 NguyÔn Hång V©n -- 45 - Ligan Histi®in. KhuÊy ®Òu vµ æn nhiÖt 30-32oC trong vßng 2 phót, sau ®ã cho Mn2+, c¸c chÊt øc chÕ (vÉn tiÕn hµnh khuÊy ®Òu vµ æn nhiÖt). Cho tiÕp H2O2. Tæng thÓ tÝch cña hçn hîp ph¶n øng lµ 30 (ml). Thêi ®iÓm cho H2O2 ®­îc xem lµ mèc cña qu¸ tr×nh. Qu¸ tr×nh xóc t¸c ph©n huû H2O2 cã kÌm theo hiÖn t­îng tho¸t khÝ O2. Do ®ã ta cã thÓ theo dâi tèc ®é tho¸t khÝ th«ng qua viÖc ®o thÓ tÝch khÝ Oxi tho¸t ra t¹i mçi thêi ®iÓm ph¶n øng. PhÐp ®o ®­îc lÆp l¹i 3 lÇn ®Ó cã ®é tin cËy nhÊt ®Þnh. Sai sè cña phÐp ®o lµ ± 0,1 ml. Tõ c¸c sè liÖu thu ®­îc ta cã thÓ thu ®­îc c¸c ®­êng cong ®éng häc biÓu diÔn sù phô thuéc cña thÓ tÝch oxi tho¸t ra theo thêi gian øng víi sù thay ®æi c¸c ®iÒu kiªn ph¶n øng. C¸c ®­êng cong ®éng häc cã d¹ng nh­ h×nh vÏ : H×nh 2.2. Sù phô thuéc cña Vo2 theo thêi gian Vo2(ml) t(s) ∆V ∆t Xóc t¸c phøc ®ång thÓ Oxy ho¸ khö TÝnh chÊt Catalaza H2O - Mn2+ - H3BO3- His- H2O2 NguyÔn Hång V©n -- 46 - Tõ c¸c ®­êng cong ®éng häc ta tÝnh ®­îc tèc ®é ph¶n øng phô thuéc vµo nång ®é ®Çu cña c¸c chÊt ph¶n øng trong hÖ theo c«ng thøc : BiÕn thiªn thÓ tÝch oxy trong kho¶ng thêi gian Thêi gian gi÷a hai thêi ®iÓm ®o thÓ tÝch Vdd (ml) : Tæng thÓ tÝch dung dÞch hçn hîp. 24,9: HÖ sè chuyÓn ®æi thÓ tÝch ë ®ktc. Ta cã thÓ tÝnh bËc ph¶n øng dùa vµo ®å thÞ - lgWio2 phô thuéc vµo - lg Cio nh­ sau: ni =tgα H×nh 2.3. Sù phô thuéc –lgWio2 vµo –lgCi0 ∆v (ml): ∆t ∆t(s): ∆V ∆t .V dd.24,9 mol lit.gi©y Wo2 = α -lgCi0 -lgWio2 (2.5) Xóc t¸c phøc ®ång thÓ Oxy ho¸ khö TÝnh chÊt Catalaza H2O - Mn2+ - H3BO3- His- H2O2 NguyÔn Hång V©n -- 47 - Tõ ®å thÞ trªn chóng ta cã thÓ x¸c ®Þnh ®­îc bËc ph¶n øng theo nång ®é chÊt i: TÊt c¶ c¸c hÖ xóc t¸c ®· cho ®Òu d­îc tiÕn hµnh trong ®iÒu kiÖn ­a khÝ, do ®ã ®èi víi mçi hÖ xóc t¸c ®Òu cã kiÓm tra s¬ bé vÒ vai trß cña oxi kh«ng khÝ hoµ tan cã ¶nh h­ëng ®Õn qu¸ tr×nh xóc t¸c hay kh«ng. n= tgα = lgWo2/ lgCo,i - 48 - Xóc t¸c phøc ®ång thÓ Oxy ho¸ khö TÝnh chÊt Catalaza H2O - Mn2+ - H3BO3- His- H2O2 NguyÔn Hång V©n Chương 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN Để nghiên cứu có hệ thống và đạt được mục đích đã nêu trong phần tổng quan chúng tôi lần lượt tiến hành các thực nghiệm các hệ từ đơn giản (1) đến phức tạp (2). 3.1 NGHIÊN CỨU SỰ TẠO PHỨC XÚC TÁC GIỮA Mn2+VÀ His TRONG HỆ (1) H2O2- Mn2+- His- H3BO3-H2O2 Quan hệ giữa thành phần các chất trong dung dịch và tốc độ phân huỷ H2O2 Để sơ bộ xác định chất xúc tác trong hệ chúng tôi đã tiến hành khảo sát ảnh hưởng của từng thành phần chất xúc tác đến tốc độ phản ứng. Thành phần chất xúc tác bao gồm Mn2+ và Histiđin v