펜톤시약

Fenton's reagent

펜톤의 시약은 과산화수소(HO22)와 철 촉매(일반적으로 철)의 용액입니다.II) 황산염, FeSO4).[1] 고급 산화 공정의 일부로 오염물이나 폐수를 산화시키는 데 사용됩니다. 펜톤의 시약은 트리클로로에틸렌과 테트라클로로에틸렌(퍼클로로에틸렌)과 같은 유기 화합물을 파괴하는 데 사용될 수 있습니다. 1890년대 헨리 존 호스트먼 펜턴(Henry John Horstman Fenton)이 분석 시약으로 개발했습니다.[2][3][4]

개요

철(II)은 과산화수소에 의해 철(III)으로 산화되고, 그 과정에서 하이드록실 라디칼과 수산화 이온이 형성됩니다. 철(III)은 다시 철(III)으로 환원됩니다.II) 과산화수소 분자에 의해 과산화수소 라디칼과 양성자를 형성합니다. 순효과는 과산화수소를 불균형시켜 부산물로 물(H+ + OH−)과 함께 두 가지 다른 산소-라디칼 종을 생성하는 것입니다.

Fe + HO → Fe + HO + OH

(1)

Fe + HO → Fe + HOO + H

(2)

2 HO → HO + HOO + HO

(순반응 : 1+2)

이 과정에서 생성된 활성산소는 2차 반응을 일으키게 됩니다. 예를 들어, 하이드록실은 강력한 비선택적 산화제입니다.[5] 펜톤 시약에 의한 유기 화합물의 산화는 신속하고 발열성이며, 오염물을 주로 이산화탄소와 물로 산화시킵니다.

반응 (1)은 1930년대에 하버와 바이스에 의해 하버-바이스 반응이 될 것으로 제안되었습니다.[6]

철 촉매는 일반적으로 철(II) 황산염을 사용합니다. 산화 환원 주기의 정확한 메커니즘은 불확실하며 유기 화합물의 비-OH• 산화 메커니즘도 제안되었습니다.[citation needed] 따라서 특정 펜톤 반응보다는 펜톤 화학에 대해 폭넓게 논의하는 것이 적절할 수 있습니다.

전기-펜톤 공정에서는 산소의 전기화학적 환원으로 과산화수소가 제자리에서 생성됩니다.[7]

펜톤 시약은 벤젠의 고전적인 페놀로의 전환과 같은 라디칼 치환 반응에서 아렌의 하이드록실화를 위한 유기 합성에도 사용됩니다.

CH + FeSO + HO → CHOH + (부산물)

(3)

예시적인 하이드록실화 반응은 바르비투르산을 알록산으로 산화시키는 것을 포함합니다.[8] 유기 합성에서 시약의 또 다른 응용은 알칸의 커플링 반응입니다. 예를 들어, tert-부탄올은 펜톤 시약 및 황산으로 2,5-디메틸-2,5-헥산디올로 이량체화됩니다.[9] 펜톤의 시약은 정수 및 토양 정화를 위한 환경 과학 분야에서도 널리 사용되고 있습니다. 펜톤의 시약을 통해 다양한 유해 폐수가 효과적으로 분해되는 것으로 보고되었습니다.[10]

활성산소 생성에 대한 pH의 영향

pH는 다양한 이유로 반응 속도에 영향을 미칩니다. 낮은 pH에서 복합화 또한 Fe+2가 발생하여 반응성 산화종(OH•)을 형성하는 Fe+2의 가용성이 낮아집니다.[11] 또한 pH가 낮아지면 과량의+ H에 의해 OH가 소거되어 [12]반응 속도가 저하됩니다. 반면 높은 pH에서는 Fe(OH)의 침전으로 인해 반응이 느려져 3용액 내 Fe+3종의 농도가 낮아집니다.[10]철종의 용해도는 용액의 pH에 의해 직접적으로 조절됩니다. Fe+3는 중성에 가까운 pH의 자연수에서 Fe+2에 비해 약 100배 정도 용해도가 낮으며, 제2철 이온 농도는 반응 속도의 제한 요소입니다. 높은 pH 조건에서는 HO의22 안정성에도 영향을 미쳐 자체 분해가 발생합니다.[13] 또한 pH가 높아지면 산화 환원 전위가 감소하여 효과가 떨어집니다.[14] pH는 활성산소의 형성과 이에 따른 반응 성능에 중요한 역할을 합니다. 따라서 더 큰 반응 속도를 위해 pH 및 기타 매개변수를 최적화하기 위한 지속적인 연구가 수행되었습니다.[15]

운전 pH가 반응속도에 미치는 영향
낮은 pH [Fe(HO2)]62+ 복합체의 형성, 따라서 라디칼 생성을 위한 Fe2+ 감소
초과+ H에 의한 OH 제거
높은 pH OH의 산화 환원 전위 감소
높은 pH에서의 안정성 저하로 인한 HO의22 자기분해
용액중 Fe(OH)3종 침전

생의학적 함의

펜톤 반응은 생체 내 조건에서 세포에 자연적으로 존재하는 화학종에 의한 활성산소의 형성을 수반하기 때문에 생물학에서 다른 의미를 갖습니다.[16] 철 및 구리와 같은 전이 금속 이온은 세포 내 반응을 통해 자유 전자를 공여하거나 수용할 수 있으므로 자유 라디칼의 형성에 기여하거나 반대로 소거에 기여합니다. 초과산화물 이온과 전이 금속은 자유 라디칼 손상의 출현에 시너지 효과를 발휘합니다.[17] 따라서 임상적 의미는 여전히 불분명하지만, 활동성 감염 환자에서 철분 보충을 피하는 것이 가능한 이유 중 하나이며, 다른 이유로는 철분 매개 감염이 있습니다.[18]

적용들

참고 항목: 고도산화공정

펜톤의 시약은 하수처리제로 사용됩니다.[19]

펜톤 시약은 하이드록실 이온을 공급하거나 특정 화합물을 산화시키는 다양한 화학 공정에 사용될 수 있습니다.[20]

  • Haber-Weiss 반응에서 Fenton의 반응의 첫 번째 단계(과산화수소로 Fe의3+ 산화)가 사용됩니다.
  • 펜톤 시약은 유기 합성 반응에 사용될 수 있습니다: 예를 들어 자유 라디칼 치환을 통한 레인의 하이드록실화
  • 펜톤 시약을 이용한 벤젠의 페놀 전환
  • 바르비투르산을 알록산으로 산화.
  • 알칸의 결합 반응

펜톤유사시약

Fe+2와 HO의22 혼합물을 펜톤 시약이라고 합니다. Fe+2를 Fe+3으로 대체하면 펜톤 유사 시약이라고 합니다.

수많은 전이 금속 이온과 그들의 낮은 산화 상태(LmMn+)에 있는 그들의 복합체들이 펜톤 시약의 산화적 특징을 가지고 있는 것으로 밝혀졌고, 따라서 이러한 금속 화합물과 HO의22 혼합물은 "펜톤-유사" 시약으로 명명되었습니다.[21]

참고 항목

참고문헌

  1. ^ Hemond, Harold (2015). Chemical Fate and Transport in the Environment (3rd ed.). Elsevier. p. 287. ISBN 9780123982568.
  2. ^ Koppenol, W. H. (1 December 1993). "The centennial of the Fenton reaction". Free Radical Biology and Medicine. 15 (6): 645–651. doi:10.1016/0891-5849(93)90168-t. PMID 8138191.
  3. ^ Fenton, H. J. H. (1894). "Oxidation of tartaric acid in presence of iron". Journal of the Chemical Society, Transactions. 65 (65): 899–911. doi:10.1039/ct8946500899.
  4. ^ Hayyan, M.; Hashim, M. A.; Al Nashef, I. M. (2016). "Superoxide ion: Generation and chemical implications". Chemical Reviews. 116 (5): 3029–3085. doi:10.1021/acs.chemrev.5b00407. PMID 26875845.
  5. ^ Cai, Q.Q.; Jothinathan, L.; Deng, S.H.; Ong, S.L.; Ng, H.Y.; Hu, J.Y. (2021). "Fenton- and ozone-based AOP processes for industrial effluent treatment". Advanced Oxidation Processes for Effluent Treatment Plants. pp. 199–254. doi:10.1016/b978-0-12-821011-6.00011-6. ISBN 978-0-12-821011-6. S2CID 224976088.
  6. ^ Haber, F.; Weiss, J. (1932). "Über die katalyse des hydroperoxydes" [On the catalysis of hydroperoxides]. Naturwissenschaften. 20 (51): 948–950. Bibcode:1932NW.....20..948H. doi:10.1007/BF01504715. S2CID 40200383.
  7. ^ Casado, Juan; Fornaguera, Jordi; Galan, Maria I. (January 2005). "Mineralization of aromatics in water by sunlight-assisted electro-Fenton technology in a pilot reactor". Environmental Science and Technology. 39 (6): 1843–1847. Bibcode:2005EnST...39.1843C. doi:10.1021/es0498787. PMID 15819245.
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외부 링크