Fentonin reagenssi

(Ohjattu sivulta Fenton-kemia)

Fentonin reagenssi on vetyperoksidia (HOOH) ja pienemmän määrän ferroraudan (Fe2+) suoloja sisältävä happamoitu vesiliuos, jossa Fe2+ toimii katalyyttinä muodostaen vetyperoksidista hyvin reaktiivisia hydroksyyli- ja muita happiradikaaleja. Rautaionien katalysoimia radikaalien muodostusreaktiota kutsutaan Fentonin reaktioiksi.[1]

Reagenssia käytetään mm. puhdistamaan teollisuuden jätevesiä hajottamalla näissä olevia PAH-yhdisteitä, fenoleita, pentakloorifenolia, väriaineita, tuholaismyrkkyjä ja muita orgaanisia yhdisteitä.[1] Reagenssi voidaan yhdistää auringonvaloon tai UV-säteilyyn ns. foto-Fenton-prosessiksi. Muita radikaaleihin pohjautuvia vedenpuhdistusmenetelmiä ovat mm. otsonointi, UV-vetyperoksidikäsittely[2] ja voimakas sähkövirta (elektrolyysi). Suomessa näitä radikaalimenetelmiä ei kuitenkaan käytetty tai ollut suunnitteilla käyttää suurissa jätevedenpuhdistamoilla ainakaan vuonna 2016.[3]

Reagenssin keksi Henry John Horstman Fenton 1876. Hän havaitsi vetyperoksidin ja ferrorautasuolojen muodostavan viinihapon kanssa violetin liuoksen osoittaen siten viinihapon läsnäolon liuoksessa. Nykyään värin tiedetään muodostuvan viinihapon hapettumistuotteiden muodostamasta kompleksista raudan kanssa.[4][5]

Fentonin reaktioihin liittyy läheisesti Haber-Weiss reaktio, jossa muodostuu myös raudan katalysoimana hydroksyyliradikaaleja.[6]

ReaktioMuokkaa

Reaktioseoksessa monenlaiset reaktiot ovat mahdollisia niiden radikaalimekanismien vuoksi. Klassinen yksinkertaistettu esitystapa reaktiolle on[1]

Fe2+ + H2O2 → FeOH2+ + •OH

•OH on reaktiossa muodostunut hydroksyyliradikaali. •OH voi reagoida muiden reaktiossa muodostuneiden radikaalien ohella erilaisten orgaanisten yhdisteiden kanssa niitä hajottaen.[7]

Seoksessa voi tapahtua esimerkiksi myös seuraavanlaisia reaktioita:[8]

Fe2+ + •HO2 → Fe3+ + HO2-
Fe2+ + •O2 → Fe3+ + O22-
Fe3+ + •O2 → Fe2+ + O2

Reagenssin valmistus ja reaktionopeusMuokkaa

Reagenssin valmistuksessa käytetään usein rauta(II)sulfaattia (FeSO4). Liuos tehdään happamaksi esimerkiksi rikkihapolla tai etikkahapolla.[1] Liuoksen pH-arvoa voidaan säätää puskuriliuosten avulla reaktionopeuksien tasaamiseksi. Happamat olosuhteet ja suuri määrä Fe2+-ioneita suhteessa vetyperoksidiin nopeuttavat radikaalien muodostusreaktioita.[7] Ilman katalyyttiä vetyperoksidin hajoamisreaktiot ovat verrattain hitaita huolimatta sen epävakaasta O–O sidoksesta.[1]

Biologinen merkitysMuokkaa

Fentonin reaktioita voi tapahtua myös eliöiden kudoksissa. Koska reaktioissa muodostuu happiradikaaleja, on niiden esitetty liittyvän joihinkin sairauksiin kuten syöpiin radikaalien aiheuttamien DNA-vaurioiden kautta. Ihmiskehossa on kuitenkin katalaasi- ja superoksididismutaasientsyymeitä, jotka suojelevat kehoa poistaen rajallisella teholla vastaavasti happiradikaaleihin kuuluvia vetyperoksidia ja superoksidia.[1]

Raudan yliannostuksessa muodostuu Fentonin reaktioiden kautta radikaaleja, jotka aiheuttavat pääasiassa yliannostuksessa havaittavia elinvaurioita.[9] Myös tietyillä hapetusasteilla oleva kupari aiheuttaa Fentonin reaktioiden kaltaisia reaktioita. Kuparin yliannostuksessa ja Wilsonin taudissa (kuparin kertymäsairaus) havaittavat elinvauriot voivat selittyä osin näiden reaktioiden kautta.[10][11]

Ruskolahottajat käyttävät Fenton-reaktioita selluloosan hajotukseen ja ligniinin muokkaukseen. Fenton-reaktiot haurastuttavat puukuitujen paksut soluseinät hydroksyyliradikaalien avulla.[12]

LähteetMuokkaa

  1. a b c d e f DC Luehrs, AE Roher, SW Wright: Demonstration of the Fenton Reaction. Journal of Chemical Education, 1.8.2007, 84. vsk, nro 8, s. 1290. doi:10.1021/ed084p1290. ISSN 0021-9584. Artikkelin verkkoversio.
  2. G Hey: Application of chemical oxidation processes for the removal of pharmaceuticals in biologically treated wastewater, s. 5–9. Lund: Water and Environmental Engineering, Department of Chemical Engineering, Lund University, 2013. ISBN 9789174734539. Teoksen verkkoversio.
  3. Teknis-taloudellinen tarkastelu jätevesien käsittelyn tehostamisesta Suomessa, s. 25. Vesilaitosyhdistyksen monistesarja nro 42. Suomen Vesilaitosyhdistys ry, 2016. ISBN 9789526697178.
  4. P Wardman, LP Candeias: Fenton chemistry: an introduction. Radiation Research, toukokuu 1996, 145. vsk, nro 5, s. 523–531. PubMed:8619017. doi:10.2307/3579270. ISSN 0033-7587. Artikkelin verkkoversio.
  5. K Barbusiński: Henry John Horstman Fenton – short biography and brief history of Fenton reagent discovery. Chemistry-Didactics-Ecology-Metrology, 2009, nro 14. ISSN 2084-4506. Artikkelin verkkoversio.
  6. WH Koppenol: The Haber-Weiss cycle – 70 years later. Redox Report, 1.8.2001, 6. vsk, nro 4, s. 229–234. PubMed:11642713. doi:10.1179/135100001101536373. ISSN 1351-0002. Artikkelin verkkoversio.
  7. a b YS Jung et al: Effect of pH on Fenton and Fenton-like oxidation. Environmental Technology, helmikuu 2009, 30. vsk, nro 2, s. 183–190. PubMed:19278159. doi:10.1080/09593330802468848. ISSN 0959-3330. Artikkelin verkkoversio.
  8. ML Kremer: The Fenton Reaction. Dependence of the Rate on pH. The Journal of Physical Chemistry A, 1.3.2003, 107. vsk, nro 11, s. 1734–1741. doi:10.1021/jp020654p. ISSN 1089-5639. Artikkelin verkkoversio.
  9. Y Kohgo et al: Body iron metabolism and pathophysiology of iron overload. International Journal of Hematology, 2008, 88. vsk, nro 1, s. 7–15. PubMed:18594779. doi:10.1007/s12185-008-0120-5. ISSN 0925-5710. Artikkelin verkkoversio.
  10. AN Pham et al: Fenton-like copper redox chemistry revisited: Hydrogen peroxide and superoxide mediation of copper-catalyzed oxidant production. Journal of Catalysis, 2013, nro 301, s. 54–64. doi:10.1016/j.jcat.2013.01.025. ISSN 0021-9517. Artikkelin verkkoversio.
  11. F Wu et al: Wilson’s Disease: A Comprehensive Review of the Molecular Mechanisms. International Journal of Molecular Sciences, 20.3.2015, 16. vsk, nro 3, s. 6419–6431. PubMed:25803104. doi:10.3390/ijms16036419. ISSN 1422-0067. Artikkelin verkkoversio.
  12. Sari Timonen, Jari Valkonen (toim.): Sienten biologia, toinen uudistettu painos sivu 276, Gaudeamus, 2018, ISBN 978-952-495-472-3