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氨基乙醇席夫碱Cu2+配合物如何实现染料降解
作者:佚名 文章来源:南京蓝污环保 点击数: 更新时间:2016-5-24
 

  1 引言

  印染废水是工业废水的主要来源之一.其中有机染料是印染废水的主要污染物之一,具有生物难降解性和三致毒性.染料污染成为印染行业发展瓶颈,寻找有效的染料降解方法迫在眉睫.

  目前,工业上处理有机污染废水的的方法主要有:物理法、化学处、生物法.物理化学方法难以大规模化,常见活性淤泥法和投菌法,利用真菌等降解有机物而达到清除目的.但由于有机染料的结构多样性和复杂性,导致生物法处理效果难以达到预期效果,同时产生的大量的淤泥导致后处理难题.染料降解的新方法和技术的研究成为热点.

  研究发现生物法降解染料的机制主要是有效酶系的作用,诸如漆酶、过氧化物酶等.但是酶法存在产酶量低、受环境影响大、重复利用难导致成本高.利用小分子来模拟酶的活性中心,进行仿生催化得到了发展.近10年来,金属配合物已成为化学模拟酶领域的热点研究方向,尤其是Cu配合物.有报道水杨醛胺类席夫碱配合物具有可逆吸附氧分子和催化氧化等性能,席夫碱配合物具有良好的催化性能受到了广泛关注.

  依据文献,①具有催化染料降解的金属酶活性中心是金属及其周围NO配位环境,配位结构多为三角双锥或扭变的四面体结构;②设计三齿或四齿配体合成对应的配合物,可以很好的模拟酶的活性.所以课题组为了得到具有降解染料催化活性的仿酶催化剂,实现染料降解的仿生催化,为染料污染物的处理提供理论和实践参考,设计合成了三齿配体水杨醛缩胺基乙醇(HLa)、邻香草醛缩胺基乙醇(HLb)和3,5-二叔丁基水杨醛缩胺基乙 醇(HLc)的Cu2+配合物(CuClLa·H2O、CuClLb·H2O、 CuClLc·H2O)(图 1).对其催化降解三苯基甲烷类染料酸性蓝9的性能进行了研究,得到了具有仿酶催化活性的催化剂,有效进行了三苯甲烷类染料的降解,提出了可能的催化机理和降解机理.

 

图1 配合物的合成

  2 实验部分

  2.1 仪器与试剂

  所有试剂均为市售商品,未经进一步处理.

  1H NMR谱用Bruker 400 UltraShiedTM(400 MHz)核磁共振谱仪测得,CDCl3为溶剂,TMS为内标.红外采用KBr固体压片法,用Avatar 370 FI-IR(Nicolet)红外光谱仪测得.C、H、N元素分析在Carlo-Erba 1106元素分析仪上进行.Cu2+含量采用PAN[1-(2-吡啶偶氮)-2-萘酚]为指示剂,EDTA络合滴定测定Cu2+含量.降解动力学曲线和降解效果利用CARY 50 Cone 紫外-可见分光光度计进行跟踪.利用生物绘图软件GraphPad Prism 5进行了米氏常数的计算.降解产物利用SPD-15C&LC-15C-HPLC测定,柱子(Wondasil C18,4.6 mm×150 mm),流动相(V甲醇 ∶ V水=4 ∶ 6),流速(1.00 mL · min-1),进样量(25 μL),检测器(SPD-15C型UV检测器),波长(285 nm).

  2.2 合成方法 2.2.1 配体的合成

  在40 ℃条件下,将相应的醛衍生物的乙醇溶液逐滴加入到(5 mmol /20 mL)乙醇胺的乙醇溶液中(5 mmol /30 mL).滴加完毕后,保温搅拌反应,TLC(薄层色谱,thin layer chromatography)跟踪反应进程,结束反应浓缩至5 mL,浓缩液柱层析(CHCl3洗脱)得到目标化合物.

  N-水杨醛缩乙醇胺(HLa),黄色固体,产率为95%;IR(KBr压片,cm-1)3419,1633,1610,1582,1529,1496,1277;1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ 8.33(s,1H),7.29(t,J=8.2 Hz,1H),7.22(d,J=7.5 Hz,1H),6.92(d,J=8.2 Hz,1H),6.85(t,J=7.5 Hz,1H),3.86(t,J=4.0 Hz,2H),3.70(t,4.0 Hz,2H);13C NMR(100 MHz,CDCl3)δ 166.8,161.4,132.5,131.5,118.6,118.5,117.1,77.4,77.06,76.8,61.9,61.4.

  N-邻香草醛缩乙醇胺(HLb),黄色固体,产率为90%;IR(KBr压片,cm-1)3436,1645,1504,1545,1222;1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ 8.36(s,1H),6.90(d,J=8.0 Hz,1H),6.87(d,J=8.0 Hz,1H),6.80(t,J=8.0 Hz,1H),3.92(t,J=4.8 Hz,2H),3.89(s,3H),3.76(t,J=4.8 Hz,2H).

  N-(3,5-二叔丁基水杨醛)缩乙醇胺(HLc),黄色固体,产率约为95%;熔点68.8~71.1 ℃;IR(KBr压片,cm-1)3411,2956,2911,2869,1630,1263,1207.1H NMR(400 MHz,CDCl3)δ 13.59(s,1H),8.42(s,1H),7.39(s,1H),7.11(s,1H),3.93(t,2H),3.75(t,J=4.8 Hz,2H),1.44(s,9H),1.31(s,9H).

  2.2.2 配合物的合成

  在搅拌回流条件下,将氯化铜的乙醇溶液(15 mmol/20 mL)逐滴加入到相应的席夫碱乙醇溶液(5 mmol,20 mL)中. 滴加完毕后,保温搅拌反应,TLC跟踪反应进程,当反应结束后,趁热过滤,用乙醇和水(体积比1 ∶ 1)洗至无CuCl2检出,得目标配合物.

  配合物CuClLa·H2O:绿色固体;产率88%;熔点:大于300 ℃;IR(KBr压片,cm-1):3416(m,OH),1635(m,CN),1289(m,ArO);元素分析,测定值(计算值): C 38.15%(38.44%),H 4.42%(4.31%),N 4.83%(4.98%),Cu 22.23%(22.60%).

  配合物CuClLb·H2O:深绿色固体;产率85%;熔点:大于280 ℃;IR(KBr压片,cm-1):3393(m,OH),1642(m,CN),1241(m,CO);元素分析,测定值(计算值): C 38.71%(38.59%),H 4.32%(4.54%),N 4.37%(4.50%),Cu 20.58%(20.42%.

  配合物CuClLc·H2O:深绿色固体;产率87%;熔点:大于300 ℃;IR(KBr压片,cm-1):3415(m,OH),1628(m,CN),1523、1462、1431(苯环特征吸收峰),1261(m,CO),1205(m,CO);元素分析,测定值(计算值): C 51.69%(51.89%),H 7.21%(7.19%),N 3.22%(3.56%),Cu 16.41%(16.15%).

  2.2.3 染料的降解实验

  选择废水的起始浓度25 mg · L-1进行试验.以30% H2O2为氧源,对配合物进行酸性兰9的降解实验,n配合物 ∶ n染料 ∶ n双氧水=1 ∶ 10 ∶ 1000,用分光光度计跟踪脱色进程.跟踪波长630 nm.

  降解反应结束后,对降解液进行HPLC分析,采用外标法确定其降解产物.HPLC条件:柱子(Wondasil C18,4.6 mm×150 mm),流动相(V甲醇 ∶ V水= 4 ∶ 6),流速(1.00 mL · min-1),进样量(25 μL),检测器(SPD-15C型UV检测器),波长(285 nm).

  3 结果与讨论

  3.1 配合物的组成及结构

  采用元素分析仪对所合成的配合物的进行了C、H、N元素分析,数据见表 1.配合物置于坩埚于550 ℃马弗炉灼烧8 h,用0.5 mol · L-1 HNO3浸取,采用EDTA络合滴定测定Cu2+含量,PAN为指示剂,数据见表 1.用固体KBr压片法,在400~4000 cm-1范围内,测定了相关配体及配合物的红外光谱,谱图归属见表 1.

表1 配合物的表征

 

  从表 1中的元素分析的结果发现,测定值与理论值吻合,说明推测的配合物的分子组成是正确的.表 1中红外数据显示配合物CuClLa·H2O、CuClLb·H2O和CuClLc·H2O的νC=N、υPh-O、υCH2—OH的吸收峰与对应的配体HLa、HLb和HLc的νC=N、υPh—O、υCH2—O的吸收峰均发生了一定程度的移动,说明C=N中的N原子、Ph—O中的O原子、—CH2—OH中的O原子参与了配位;配合物在500~550 cm-1处出现的Cu—N吸收峰,进一步说明C=N中的N原子参与配位;配合物在600~610、460~470、400~410 cm-1处的吸收峰分别是H2O参与配位时H2O的面外、面内和M—O的振动吸收,说明配位H2O的存在.说明La、Lb和Lc均作为三齿配体参与配位,中心离子Cu2+周围有5个配位原子(La提供的一个N原子和两个O原子,H2O提供的一个O原 子,Cl-提供的一个Cl原子,推测配合物CuClLa·H2O、 CuClLb·H2O和CuClLc·H2O可能结构见图 1.

  CuClLa·H2O、CuClLb·H2O和CuClLc·H2O在熔点测定的时候发现分别在300 ℃、280 ℃、300 ℃以下都表现热稳定性.

  3.2 酸性蓝9的降解

  为了模拟酶过程,参照文献选择废水的起始浓度25 mg · L-1,λ=630 nm,pH=7.2,T=37 ℃,以H2O2为氧源,n 配合物 ∶ n染料 ∶ n双氧水=1 ∶ 10 ∶ 1000,进行配合物催化酸性兰9的降解实验,每1 h记录1次吸光值,计算其脱色率,降解效果见表 2.

表2 酸性蓝9的降解

 

  从表 2的数据说明,CuClLa·H2O和CuClLb·H2O 能有效的催化酸性蓝9的降解,CuClLc·H2O对于酸性蓝9的降解也具有一定的降解作用2 h后,CuClLb·H2O催化酸性蓝9的降解率达到90%;4 h后,CuClLa·H2O催化酸性蓝9的降解率达到90%;而CuClLc·H2O催化酸性蓝9的降解率在6 h后才达到达到40%.可见催化降解效果是CuClLb·H2O最好,而CuClLc·H2O最差.

  为了进一步了解CuClLa·H2O,CuClLb·H2O和CuClLc·H2O催化酸性蓝9的脱色动力学过程,每0.5 h记录一次吸光值,计算其脱色率,绘制了脱色率P-t 曲线(图 2).

 

图2 酸性蓝9的P-t曲线

  从图 2可以发现,CuClLa·H2O、CuClLb·H2O作为仿酶催化剂的延至期很短,小于30 min;而CuClLc·H2O作为仿酶催化剂的延至期大约在100 min.CuClLa·H2O、CuClLb·H2O出现了明显的线性期和底物耗尽期.CuClLc·H2O出现明显的延至期和线性期,由于监测时间关系,没有观测到底物耗尽期.为了进一步了解CuClLa·H2O、CuClLb·H2O作为仿酶催化剂动力学过程,每10 min记录1次吸光值,计算其脱色率,绘制了脱色率P-t曲线(图 3).图 3同时给出了每2 min记录1次吸光值的P-t曲线.

 

图3 酸性蓝9的P-t曲线

  从图 3可以发现,CuClLa·H2O在5 min之前有明显的延至期,而CuClLb·H2O延至期小于2 min.结合图 2和图 3,CuClLa·H2O在2 h以后进入底物耗尽期,而 CuClLb·H2O在1.5 h以后进入底物耗尽期.

  为了进一步了解CuClLa·H2O,CuClLb·H2O催化能力,进行了CuClLa·H2O,CuClLb·H2O米氏常数的测定. 固定催化剂的量,改变染料的起始浓度,采用分光光度计跟踪降解过程,绘制不同浓度下的脱色率时间曲线,图 4给出了CuClLa·H2O和CuClLb·H2O在不通浓度下的C-t曲线.

 

图4 CuClLa·H2O(a)或CuClLb·H2O(b)存在下酸性蓝9的C-t曲线

  从图 4发现,不同浓度下,同一品种同一浓度的催化剂对不同浓度的酸性蓝(S)的降解在线性区的速率(V)不一致.利用利用生物绘图软件GraphPad Prism 5进行了V-S曲线绘制,并进行米氏方程拟合,结果见图 5.

 

图5 CuClLa·H2O(a)或CuClLb·H2O(b)存在下酸性蓝9的V-S曲线

  图 5的数据显示,CuClLa·H2O和CuClLb·H2O 催化酸性蓝9降解的V-S曲线与米氏方程曲线(图 6)吻合,拟合常数分别为0.9493、0.9403.

 

图6 米氏曲线

  结合图 5和图 6说明CuClLa · H2O和CuClLb · H2O 催化酸性蓝9降解经历了与底物形成一种复合过渡态. 这一动力学特性是典型的酶催化动力学特性,所以进一步说明CuClLa·H2O和CuClLb·H2O 对酸性蓝9的催化降解具有酶催化特性,可以用作仿酶催化剂.经拟合计算出CuClLa·H2O和CuClLb·H2O 的米氏常数Km分别为1.35×10-2 mmol · L-1和1.54×10-2 mmol · L-1.Km值可近似的反应酶与底物的亲和力大小,Km值大,表明亲和力小;Km值小,表明亲和力大.纯天然酶的米氏常数一般在1.00×10-3~10 mmol · L-1,而配合物CuClLa·H2O和CuClLb · H2O的Km落在这个区间,说明CuClLa · H2O和CuClLb·H2O具有很好的酶促效应,很好的模拟了氧化酶.因为催化剂与底物结合力越强,则产物离去也会困难,所以催化活性会有所下降.所以CuClLb·H2O具有比CuClLa·H2O高的酶促活性,与表 2、图 2和图 3给出的信息一致.

  3.3 降解产物测定

  对降解8 h后的降解液进行HPLC检测,采用外表保留时间定性,结果发现CuClLa · H2O、CuClLb · H2O和CuClLc · H2O作为氧化酶的模型物催化酸性蓝9的氧化降解,降解产物都有顺式丁烯二酸和米氏酮.

  采用高锰酸钾法对不加催化剂和双氧水的染料溶液和脱色率达到100%的降解液进行COD测试,CODMn分别为67 mg · L-1和11 mg · L-1,COD清除率达83.6%.

  3.4 催化机理和降解机理

  结合文献和降解产物的跟踪推测可能的催化剂循环机理见图 7.

 

图7 配合物的催化机理

  Cu2+形成配合物时,最多可以提供6个配位点,生成八面体结构,Cu2+处在八面体的中心.而配合物CuClLa·H2O、CuClLb·H2O、CuClLc·H2O均为5配位结构,在轴向上可以允许其它的配体插入,生成6配位的结构.如图 7所示,底物之一H2O2的过氧键中的一个O原子与中心离子Cu2+配位占据轴向位置产生6配位结构的中间结构(2),H2O2中的2个H原子分别与配体L的酚氧的O原子和物之二酸性蓝9中叔胺中的N原子生成氢键,同时H2O2中的另一个O原子与配位H2O中的H原子发生氢键结合. 由于Cu2+的诱导激化作用和氢键网的作用,导致催化剂中的Cl-和H2O2的一个H+离去,H2O2的两个O原子同时参与配位,催化剂转化为图 7中的6配位结构(3),同时H2O2中的一个O原子进攻底物酸性蓝9中的三苯甲烯C原子,失去一个活性O,催化剂形成图 7中的5配位结构(4),(4)中有一个HO-配体与反应体系中的Cl-交换,生成(1),实现催化剂的循环过程.可见由于配位中心的这种配位诱导极化和周围的氢键作用,加快了H2O2的过氧键的断裂,生成活性O原子,加快了染料的降解进程,而且降解彻底.而给电子基团有利于酚氧中的O原子参与氢键网,促进H2O2的过氧键的断裂,有利于催化性能的提高,所以CuClLb·H2O中由于CH3O—的引入,所以CuClLb·H2O的活性优于CuClLa·H2O;大的位阻基团引入,不利于底物之二酸性蓝9的靠近,不利于氢键网的生成,不利于H2O2的过氧键的断裂,不利于催化性能的提高,所以CuClLc·H2O中由于2个(CH3)3C-的引入,位阻增加,所以CuClLc·H2O的活性不如CuClLa·H2O活 性.所以催化性能是CuClLb · H2O最好,CuClLa · H2O 其次,CuClLc·H2O最差,这与表 2和图 2的结果一致,说明催化剂的循环机理是合理的.具体参见污水宝商城资料或http://www.dowater.com更多相关技术文档。

  依据图 7和HPLC跟踪发现降解产物米氏酮和顺丁烯二酸的存在,推测酸性蓝9可能的降解机理(图 8).

 

图8 酸性蓝9的降解

  4 结论

  1)制备了3个Cu2+配合物并进行了表征,发现3个配合物均为单核五配位三角双锥结构的配合物.

  2)得到了两个性能优良的仿酶催化剂CuClLa·H2O和CuClLb·H2O,给出了配合物的催化循环机理和酸性蓝9的降解机制,发现了这类配合物在配体L的苯环上引入给电子基团有利于催化效果,引入大的位阻基团不利于催化效果.这些为设计合成更有效的催化剂提供了依据,对发现新的染料降解技术和方法,解决染料废水脱色降解的难题提供了科学和实践依据.

 

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