1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của luận án Tất cả các hoạt động trong sinh hoạt và sản xuất của con người đều tạo ra chất thải. Các chất thải tồn tại ở dạng rắn, lỏng và khí. Ngoài các chất ô nhiễm vô cơ, hữu cơ trong nước còn có nhiều loại vi sinh vật như vi khuẩn, vi trùng, virut gây bệnh như tả, lỵ, thương hàn. Do đó, việc khử trùng nước là một quá trình không thể thiếu được trong công nghệ xử lý nước. Khử trùng nước là quá trình loại bỏ trong nước thải những vi sinh có khả năng gây bệnh, là hàng rào cần thiết và cuối cùng chống lại sự phơi nhiễm của người với những vi sinh gây bệnh, bao gồm virus, vi khuẩn và protozoa. Cơ sở của phương pháp khử trùng bằng hóa chất là sử dụng chất oxy hóa mạnh hơn để oxy hóa men của tế bào vi sinh vật và tiêu diệt chúng. Các hóa chất thường dùng là: các halogen clo, brom; clo dioxyt; các hypoclorit và các muối của nó; ozon Phương pháp khử trùng hóa học có hiệu suất cao nên được sử dụng rộng rãi với nhiều quy mô. Clo là một chất oxy hóa mạnh, ở bất cứ dạng nào, nguyên chất hay hợp chất, khi clo tác dụng với nước đều cho các phân tử axit hypocloro (HOCl), một hợp chất có khả năng khử trùng rất mạnh. Mặt khác Clo còn có một lợi thế là có thể duy trì với một nồng độ nhỏ trong nước trong khoảng thời gian tương đối dài để đảm bảo khả năng chống tái nhiễm khuẩn trên hệ thống cấp nước và lưu trữ. Vì vậy hiện nay clo vẫn được sử dụng để khử trùng thông dụng nhất. Đến nay có nhiều phương pháp khử trùng được nghiên cứu để thay thế clo như ozon, UV, brom,... nhưng chưa có phương pháp nào thay thế được Clo. Xu hướng hiện nay là kết hợp Clo với các phương pháp khác như UV để tăng hiệu quả khử trùng và giảm hàm lượng Clo cần sử dụng. Một phương pháp thường được sử dụng gần đây là UV/HOCl/ClO -. Tuy nhiên, sự có mặt của Clo trong nước cũng có thể tạo nên những hợp chất hữu cơ độc hại cơ clo, là những tác nhân gây nên bệnh ung thư. Trong nguồn nước tự nhiên luôn tồn tại các chất hữu cơ thiên nhiên như axit humic, các axit hữu cơ hòa tan, các amino axit và các chất ô nhiễm hữu cơ công nghiệp. Những hợp chất hữu cơ này thường có cấu trúc phức tạp và có thể phản ứng với clo tạo nên các hợp chất nguy hiểm như clorofom và các hợp chất trihalometan (THM), bao gồm triclorometan, dibromochorometan, bromodiclorometan, Những hợp chất này, đặc biệt là clorofom khi vào cơ thể sẽ gây tổn thương gan, thận và đã được chứng minh là có liên quan đến nguyên nhân gây bệnh ung thư. Dưới tác động của ánh sáng, đặc biệt là tia tử ngoại, có thể dẫn đến sự phân ly của các phân tử HClO và ion ClO - tạo nên các gốc tự do. Các gốc tự do này có thể oxy hóa các chất hữu cơ và tạo thành các sản phẩm phụ khác nhau. Sự chuyển hóa của các hợp chất hữu cơ ô nhiễm mới và các sản phẩm phụ của chúng trong quá trình xử lý đang là một hướng nghiên cứu mới trong lĩnh vực phân tích trên thế giới cũng như ở Việt Nam. 2. Mục tiêu nghiên cứu của luận án Nghiên cứu quá trình chuyển hóa, nhận dạng và xác định các sản phẩm phụ của Paracetamol khi khử trùng nước bằng phương pháp UV/HClO/ClO - trong các điều kiện môi trường khác nhau 3. Nội dung nghiên cứu chính của luận án - Nghiên cứu phân tích sự phân hủy của Paracetamol bằng các quá trình: UV, Clo hóa và UV/HOCl/ClO - - Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân hủy Paracetamol bằng phương pháp oxi hóa tiên tiến UV, UV/NaClO. - Nghiên cứu các điều kiện tối ưu xác định các sản phẩm phụ của các quá trình oxy hóa trên bằng phương pháp LC-MS/MS.
2 CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1. Vấn đề ô nhiễm dƣợc phẩm trong môi trƣờng nƣớc 1.2. Vấn đề tồn dƣ PRC trong môi trƣờng nƣớc 1.3. Các quá trình oxi hóa tiên tiến ứng dụng trong xử lý nƣớc 1.4. Cơ sở lý thuyết của phƣơng pháp quang hóa 1.5. Phƣơng pháp phân tích hợp chất hữu cơ lƣợng vết trong nƣớc 1.6. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc CHƢƠNG 2: THỰC NGHIỆM VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Thiết bị và Hóa chất 2.2. Các phƣơng pháp phân tích 2.3. Phƣơng pháp thực nghiệm 2.4. Các quy trình thí nghiệm 2.4.1. Thí nghiệm phân hủy PRC bằng hệ UV, UV/NaClO, UV/H 2 O 2 Chuẩn bị 2 lít dung dịch NaClO1µM (hoặc H 2 O 2 1mM)), chuyển vào bình phản ứng, khuấy đều, điều chỉnh ph = 7, thêm 2,ml dung dịch PRC 1µM, cho vào bình phản ứng, sau đó chiếu đèn UV 254nm trong 2 phút, các mẫu thí nghiệm được lấy theo thời gian bắt đầu từ khi chiếu đèn. Mỗi lần lấy 1,ml mẫu cho vào vial đã có sẵn,2ml chất dập phản ứng Na 2 S 2 O 3 2mM (tỷ lệ [NaClO]/ [Na 2 S 2 O 3 ] =2-3, hệ UV/H 2 O 2 dùng Na 2 SO 3 2mM sao cho tỷ lệ [NaClO]/ [Na 2 SO 3 ] =2). Nồng độ PRC theo thời gian được theo dõi bằng thiết bị HPLC Nồng độ NaClO được xác định bằng phương pháp đo quang với thuốc thử DPD Nồng độ H 2 O 2 được xác định bằng phương pháp đo quang với thuốc thử TiCl 4 2.4.2. Thí nghiệm xác định vai trò của các gốc tự do Thí nghiệm xác định nồng độ các gốc tự do OH: Thí nghiệm động học cạnh tranh giữa 2 hợp chất là PRC và NB được thực hiện như sau: Chuẩn bị 2 lít dung dịch NaClO1µM, chuyển vào bình phản ứng, khuấy đều, điều chỉnh ph = 7, thêm 2,ml dung dịch PRC 1mM, 2,ml dung dịch C 6 H 5 NO 2 2mM cho vào bình phản ứng, sau đó chiếu đèn UV 254nm trong 3 phút, các mẫu thí nghiệm được lấy theo thời gian bắt đầu từ khi chiếu đèn. Mỗi lần lấy 1,ml mẫu cho vào vial đã có sẵn,2ml chất dập phản ứng Na 2 S 2 O 3 2mM (tỷ lệ [NaClO]/ [Na 2 S 2 O 3 ] =2-3). Nồng độ PRC, NB theo thời gian được theo dõi bằng thiết bị HPLC Thí nghiệm xác định nồng độ các gốc tự do Cl : Thí nghiệm động học cạnh tranh giữa 3 hợp chất là PRC, NB và BA được thực hiện như sau: Chuẩn bị 2 lít dung dịch NaClO1µM, chuyển vào bình phản ứng, khuấy đều, điều chỉnh ph = 7, thêm 2,ml dung dịch PRC 1mM, 2,ml dung dịch C 6 H 5 NO 2 2mM, 2ml dung dịch C 6 H 5 COOH 2mM cho vào bình phản ứng, sau đó chiếu đèn UV 254nm trong 3 phút, các mẫu thí nghiệm được lấy theo thời gian bắt đầu từ khi chiếu đèn. Mỗi lần lấy 1,ml mẫu cho vào vial đã có sẵn,2ml chất dập phản ứng Na 2 S 2 O 3 2mM (tỷ lệ [NaClO]/ [Na 2 S 2 O 3 ] =2-3). Nồng độ PRC, NB, BA theo thời gian được theo dõi bằng thiết bị HPLC 2.4.3. Thí nghiệm xác định sản phẩm phụ của quá trình phân hủy PRC bằng hệ UV, UV/NaClO Chuẩn bị 2 lít dung dịch NaClO 5µM, chuyển vào bình phản ứng, khuấy đều, điều chỉnh ph = 7, thêm 2,ml dung dịch PRC 1mM, cho vào bình phản ứng, sau đó chiếu đèn UV 254nm trong 2 phút, các mẫu thí nghiệm được lấy theo thời gian bắt đầu từ khi chiếu đèn. Mỗi lần lấy,5ml mẫu cho vào vial đã có sẵn,3ml chất dập phản ứng Na 2 S 2 O 3 2mM (tỷ lệ [NaClO]/ [Na 2 S 2 O 3 ] =2-3) trước khi đo LC-MS/MS. Mẫu trắng Blank (B) được cho vào một vial riêng biệt là hỗn hợp của nước cất và Na 2 S 2 O 3.
3 CHƢƠNG 3: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 3.1.Nghiên cứu đánh giá sự hiện diện và phân bố của dƣ lƣợng dƣợc phẩm trong nƣớc bề mặt của một số sông hồ ở Hà Nội 3.1.1. Định lượng dư lượng dược phẩm trên thiết bị LC-MS/MS Trong nghiên cứu này chúng tôi tập trung vào nghiên cứu nồng độ của 9 loại dược phẩm, đặc biệt là nhóm thuốc kháng viêm không steroit và một số loại kháng sinh tiêu biểu được sử dụng rộng rãi ở Việt Nam và trên thế giới. 3.1.2. Dư lượng các dược phẩm trong nước sông hồ Hà Nội Kết quả phân tích cho thấy: TMP, TC và TRA không phát hiện thấy trong bất kì mẫu nào, nồng độ trung bình đều dưới ngưỡng phát hiện của phương pháp. CAR, DIC là các loại dược phẩm có tỉ lệ bài tiết thấp tuy nhiên nồng độ được phát hiện vẫn ở mức cao, đặc biệt trong mẫu nước sông Lừ tương ứng với nồng độ 13ng/L và 12ng/L. Đáng chú ý IBU và PRC được phát hiện ở mức cao đáng báo động, tương ứng với nồng độ cao nhất là 4161ng/L và 3925ng/L và có mặt trong tất cả các mẫu. IBU được sử dụng nhiều nhất trong nhóm thuốc chống viêm không steroid 22 tấn tại Pháp năm 26 (Haguenoer et al), và được phát hiện nhiều trong 4 trạm xử lý nước thải ở Tây Ban Nha, với nồng độ từ 3,73 đến 63μg/L (Santos và cộng sự, 29). Đối với paracetamol, theo thống kê của bộ Y tế thì paracetamol là hoạt chất dẫn đầu thị trường dược phẩm Việt Nam về lượng số đăng kí lên đến hơn 2 bao gồm dạng đơn chất và dạng phối hợp khác. Đây là loại thuốc giảm đau hạ sốt cự kì phổ biến và được cung cấp không cần kê đơn. Do đó việc phát hiện paracetamol ở nồng độ cao trong các mẫu là phù hợp. Nồng độ lớn của PRC cũng phù hợp với một số công bố trước đó, như trong nước sông ở Autralia, Africa và sông Aire ở UK với nồng độ theo thứ tự 715ng/L, 3ng/L và 43ng/L 3.1.3. Sự biến đổi hàm lượng theo mùa của dư lượng dược phẩm trong nước sông hồ Hà Nội So sánh kết quả giữa các khoảng thời gian cho thấy hàm lượng các chất có thể phụ thuộc vào điều kiện khí hậu và thời tiết. Nghiên cứu cho thấy hiệu quả của phương pháp phân tích LC/MS-MS từ đó mở ra hướng phát triển mới trong việc phân tích nhiều đối tượng mẫu khác nhau, đặc biệt với các nền mẫu nước không quá phức tạp. 3.2.Các yếu tố ảnh hƣởng đến quá trình phân hủy PRC bằng các phƣơng pháp oxi hóa tiên tiến UV, UV/NaClO 3.2.1. So sánh quá trình phân hủy PRC bằng các phương pháp oxi hóa tiên tiến Các phương pháp oxi hóa được sử dụng để nghiên cứu quá trình phân hủy PRC bao gồm: quá trình Chlorine hóa, quang hóa UV, quang hóa UV/H 2 O 2 và UV/NaClO. Các thí nghiệm được thực hiện với nồng độ [PRC] = 1µM, ph= 6,5 [NaClO] = 1 µm, [H 2 O 2 ] = 1 µm. Bảng 3.1: Quá trình phân hủy PRC bằng các hệ AOPs khác nhau [PRC] [H Hệ TN ph 2 O 2 ] [NaClO] k µm µm µm obs (s -1 ) Para/UV 1 6,59 2,23 E-4 Para/UV/H 2 O 2 1 6,65 1 3,71 E-4 Para/NaClO 1 6,38 1 5,25E-4 Para/NaClO/UV 1 6,45 1 2,36E-3 Chỉ có 1%, 2% và 26 % PRC bị phân hủy bởi quá trình quang hóa trực tiếp UV, quá trình H 2 O 2 /UV và quá trình chlorine hóa bằng NaClO sau 2 phút phản ứng, kết quả này khẳng định rằng PRC tương đối bền về mặt hóa học đối với các quá trình oxi hóa này. 3.2.2. Động học phân hủy PRC bằng hệ UV/NaClO 3.2.2.1. Ảnh hưởng của cường độ đèn UV
4 Bảng 3.2: So sánh sự phân hủy PRC bằng quá trình UV, NaClO và UV/NaClO C PRC =1μM, C NaClO =1μM, ph=7, nhiệt độ =25±1 o C Cƣờng độ UV I (1-6 ) PRC/UV k obs (s -1 ) PRC/NaClO k obs (s -1 ) PRC/UV/NaClO k total (s -1 ) %UV %NaClO % Gốc tự do 3,6E-6 1,95E-4 1,21E-4 2,1E-3 9,7 6,2 84,28 7,2E-6 3,81E-4 1,21E-4 3,36E-3 11,34 3,6 85,6 1,8E-5 5,71E-4 1,21E-4 4,81E-3 11,87 2,52 85,61 Kết quả cho thấy quang phân trực tiếp và oxy hóa trực tiếp bằng NaClO đóng góp không nhiều vào quá trình phân hủy PRC. Trái lại các gốc tự do đóng vai trò lớn trong quá trình phân hủy PRC bằng UV/NaClO (quá trình phân hủy bởi gốc chiếm 85%). 3.2.2.2. Ảnh hưởng của ph Đối với quá trình không chiếu UV hằng số tốc độ không có sự khác biệt nhiều ở các giá trị ph khác nhau. Khi tăng ph từ 3 đến 8.4 hằng số tốc độ phản ứng tăng từ 1.21x1-4 s -1 lên 9.6x 1-4 s -1. Đối với quá trình NaClO/UV kết quả cho thấy PRC phân hủy rất nhanh với hằng số tốc độ phản ứng tăng khi ph tăng, cụ thể giá trị k obs tăng từ 1,82 1-3 đến 2,6 1-3 s - 1 ở ph 8.5. Đối với quá trình UV/NaClO, xu hướng ảnh hưởng của ph đến hằng số tốc độ phản ứng trên đối tượng PRC rất khác so với các nghiên cứu trên đối tượng axit benzoic và trichloro-ethylene (Fang, Fu et al. 214, Wang, Bolton et al. 215) Wang, 212: giảm khi ph tăng. Để giải thích điều này cần phải làm sáng tỏ vai trò của các gốc tự do chứa clo có mặt trong dung dịch như Cl, Cl 2, ClO -. Cụ thể là xác định hoạt tính của chúng đối với PRC. Tuy nhiên cũng có thể nhận định một cách sơ bộ như sau: Như đã biết ph là yếu tố chính ảnh hưởng đến quá trình phân ly của HClO/ClO - trong dung dịch. Ở môi trường ph axit dạng HClO có hiệu suất lượng tử (hiệu suất tạo gốc tự do) cao hơn và khả năng săn bắt gốc tự do thấp hơn so với dạng ClO - Hơn thế nữa hằng số tốc độ của phản ứng giữa gốc OH và OCl- là 9 1 9 M -1 s -1 cao hơn so với HOCl (2 1 9 M - 1 s -1 ). Do vậy phản ứng bắt giữ gốc OH, Cl, Cl - 2 sẽ chiếm ưu thế hơn trong trường hợp của OCl - so với HOCl. Các phản ứng bắt giữ gốc tự do đều tạo ra gốc tự do khác là ClO và nồng độ gốc này tăng khi ph tăng. Kết quả cho thấy khi tăng ph, hằng số tốc độ phản ứng tăng. Điều này chứng tỏ rằng các gốc ClO vẫn tiếp tục là tác nhân phân hủy PRC, dẫn tới sự đóng góp của gốc này vào quá trình phân hủy PRC tăng lên, điều này sẽ làm cân bằng lại việc giảm nồng độ các gốc OH, Cl. 3.2.2.3. Ảnh hưởng của nồng độ NaClO Thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của nồng độ NaClO được thực hiện ở khoảng ph 6 6,5. Các thí nghiệm cũng được thực hiện trong điều kiện không có chiếu xạ UV để làm kết quả so sánh. Hình 3.2.2.5 trình bày hằng số tốc độ phản ứng biểu kiến bậc 1 của quá trình phân hủy PRC và xu hướng biến đổi của PRC theo thời gian bằng 2 quá trình UV/NaClO và NaClO không chiếu UV ở điều kiện ph trung tính và nồng độ NaClO khác nhau (- 5 µm). Kết quả cho thấy tốc độ quá trình phân hủy PRC tăng khi tăng nồng độ NaClO. Khi nồng độ NaClO tăng từ 1 µm đến 4 µm, hằng số tốc độ biểu kiến của quá trình chlorine hóa không chiếu xạ UV gần như không thay đổi. Trong khi đó hằng số tốc độ biểu kiến của quá trình NaClO/UV tăng gấp 7 lần.
k obs (s -1 ) 5 2.E-2 1.5E-2 PRC/NaClO/UV PRC/NaClO 1.E-2 5.E-3.E+ 2 4 6 Tỉ lệ [PRC]o/[NaClO]o Hình 3.1. Mối liên hệ giữa hằng số tốc độ biểu kiến bậc 1 của quá trình phân hủy PRC vào nồng độ NaClO Điều này có thể giải thích là do khả năng săn bắt các gốc tự do OH và Cl của các HOCl/OCl - (tồn tại trong dung dịch với nồng độ dư lớn) để hình thành nên các gốc ClO. Các gốc này lại kém hoạt tính khi phản ứng với axit benzoic (<3.1 6 M -1 s -1 ). Trái lại việc tăng tuyến tính hằng số tốc độ phản ứng phân hủy của PRC khi tăng nồng độ của NaClO lên dẫn tới một giả thuyết là PRC phản ứng rất nhanh với ClO hoặc Cl, các gốc này sinh ra nhiều hơn khi nồng độ NaClO tăng lên. 3.2.2.4. Ảnh hưởng của các ion vô cơ Nghiên cứu ảnh hưởng của các ion vô cơ được thực hiện với nhiều ion khác nhau: Cl -, SO 4 2-, HCO 3 -, NH 4 +, NO 3 - Kết quả khảo sát cho thấy tốc độ phân hủy của PRC khi có mặt ion Cl -, SO 4 2- giảm đi không nhiều, trái lại sự có mặt của các ion HCO 3 -, NO 3 -, NH 4 + tốc độ phản ứng giảm nhiều, đặc biệt là trong trường hợp của NH 4 +, NO 3 - hằng số tốc độ giảm gần 1 lần từ 2.69 1-3 s -1 xuống 2.57 1-4 s -1 a) Sự suy giảm nồng độ PRC theo thời gian b) Hằng số tốc độ biểu kiến bậc 1 Hình 3.2. Ảnh hưởng của các ion vô cơ đến hiệu quả xử lý PRC bằng UV/NaClO, [PRC] =1 µm ph= 6.5 C PRC =1 µm ph= 6,5 C NaClO = 1 µm C H2O2 =1 µm C Cl- =1 µm C SO42 - =1 µm C HCO3 - =1 µm C NH4+ =1 µm C NO3 - = 1 µm 3.2.2.5. Ảnh hưởng của các hợp chất hữu cơ hòa tan Đối với các hợp chất hữu cơ hòa tan, đây là một nhân tố có mặt thường xuyên trong các nguồn nước mặt, nước thải, thậm chí là nước uống. DOM cản trở một cách đáng kể đến hiệu quả của các quá trình phân hủy các hợp chất ô nhiễm hữu cơ lượng vết bằng hệ
6 UV/Chlorine thông qua cơ chế săn bắt các gốc tự do hoạt tính và hoạt động như là một hệ lọc tia UV, hấp thụ tia UV Hình 3.4: Ảnh hưởng của nồng độ DOM đến hiệu quả của quá trình phân hủy PRC bằng NaClO/UV Kết quả trên hình 3.2.2.9 cho thấy sự có mặt của DOM làm giảm mạnh hằng số tốc độ biểu kiến, hằng số k obs giảm khi tăng nồng độ DOM. 3.3. Vai trò của các gốc tự do trong quá trình phân hủy paracetamol bằng quá trình oxy hóa tiên tiến UV/NaClO 3.3.1. Động học quá trình phân hủy PRC bằng hệ H 2 O 2 /UV: xác định hằng số tốc độ phản ứng của PRC với gốc HO Hằng số tốc độ phản ứng của PRC với gốc tự do HO cũng được xác định để qua đó có thể đánh giá được mức độ đóng góp của gốc tự do OH sinh ra trong suốt quá trình quang hóa kết hợp NaClO. Bảng 3.4: Hằng số động học bậc 1 của các quá trình PRC/UV và PRC/UV/H 2 O 2 Hệ thí nghiệm [PRC,µM] [H 2 O 2 ] mm ph k obs (s -1 ) Para/UV 1 5.9 1.92E-4 Para/UV/H 2 O 2 1 1 5.8 5.24E-3 Para/UV/H 2 O 2 1 5 5.6 5.39E-3 Kết quả cho thấy sự suy giảm nồng độ của PRC theo thời gian tuân theo phương trình động học bậc 1. Kết quả chi tiết được trình bày trong bảng 3.3.1.2. Dựa trên giá trị trung bình k obs = 5.31x1-3 s -1 cùng với giả thuyết nồng độ gốc [ OH] sinh ra trong quá trình phản ứng là không đổi. Ta có thể tính được hằng số tốc độ phản ứng bậc 2 của gốc OH với PRC = 4.19 (±.15).1 9 M -1 s -1 ở khoảng ph 5.5-6. 3.3.2. Động học cạnh tranh: Xác định hằng số tốc độ phản ứng của gốc Cl và OCl với hệ UV/PRC 3.3.2.1. Xác định hằng số tốc độ phản ứng của gốc tự do Cl với PRC Để xác định sự đóng góp của các gốc tự do Cl trong hệ, một số thí nghiệm động học cạnh tranh được thực hiện giữa sự có mặt của PRC, Nitrobenzen (NB) và Benzoic Acid (BA). Sự suy giảm nồng độ của NB theo thời gian chủ yếu do gốc hoạt tính HO (hằng số tốc độ phản ứng k * HO.NB = 3.9 1 9 M -1 s -1 ). NB không có hoạt tính đối với các gốc tự do có chứa clo như Cl, ClO. Ngược lại BA lại phản ứng rất nhanh với cả HO, Cl với hằng số tốc độ phản ứng tương đối lớn (k * HO.BA = 5.9 1 9 M -1 s -1 ; k * Cl.BA = 1.8 1 1 M -1 s -1 ) và không có hoạt tính đối với ClO.
7 Các thí nghiệm được thực hiên ở môi trường axit ph =5,5-6 để đảm bảo nồng độ của gốc ClO không đáng kể trong hệ, do đó có thể bỏ qua sự đóng góp của gốc này vào quá trình phân hủy PRC. Do vậy nếu thừa nhận giả thuyết các gốc tự do HO và Cl sinh ra trong hệ luôn giữ ổn định nồng độ thì ta có thể tính được nồng độ của gốc HO từ thí nghiệm động học cạnh tranh giữa PRC và NB. Nồng độ gốc Cl thông qua sự suy giảm nồng độ của BA trong thí nghiệm có mặt đồng thời PRC, NB và BA. Đối với trường hợp của BA k obs BA = k obs UV.BA + k obs NaClO.BA + k * Cl.NB [Cl ] ss + k * OH.NB [ OH] s. Sau khi tính toán được nồng độ các gốc tự do sinh ra trong hệ UV/NaClO [ OH] ss = 7.28 1-14 và[cl ] ss = 4.37 1-14 Từ phương trình hằng số tốc độ phản ứng biểu kiến của PRC ta tính được hằng số tốc độ phản ứng bậc 2 của gốc Cl với PRC k obs PRC = k obs UV.PRC + k obs NaClO.PRC + k * OH.PRC [ OH] ss + k * Cl.PRC [Cl ] ss k * Cl.PRC = (k obs PRC - (k obs UV.PRC + k obs NaClO.PRC + k * OH.PRC [ OH] ss ))/ [Cl ] ss Trong đó: k obs UV.PRC = 2.39 1-4 (s -1 ) {kết quả của nghiên cứu này} k obs NaClO.PRC = 4.52 1-4 s -1 {kết quả của nghiên cứu này} k * OH.PRC = 4.19 1 9 M -1 s -1 {kết quả của nghiên cứu này} Bảng 3.5:Kết quả hằng số tốc độ phản ứng biểu kiến của các chất tham gia phản ứng động học cạnh tranh PRC NaClO NB BA k obs PRC k obs BA k obs NB (µm) (µm) (µm) (µm) 1 1 2 2 2.23E-3 7.32E-4 4.84E-4 1 1 2 2 2.43E-3 6.97E-4 5.4E-4 1 1 2 2 2.25E-3 7.86E-4 4.97E-4 1 1 2 2 2.63E-3 8.32E-4 5.14E-4 1 1 2 2 2.32E-3 7.52E-4 5.33E-4 1 1 2 2 2.18E-3 8.64E-4 4.86E-4 Từ các kết quả hằng số tốc độ biểu kiến thu được của PRC, NB, BA trong phản ứng động học cạnh tranh ta tính được hằng số tốc độ phản ứng bậc 2 của PRC với gốc Cl = 3,71 x1 1 M-1s-1. 3.3.2.2. Xác định hằng số tốc độ phản ứng bậc 2 của ClO với PRC Để thực hiện công việc này phản ứng động học cạnh tranh sử dụng dimethoxybenzene (DMOB) làm hợp chất đầu rò do chất này phản ứng với ClO với hằng số tốc độ bậc 2 tương đối lớn 2.1x1 9 M -1 s -1. Để tạo điều kiện thuận lợi nhất cho sự hình thành các gốc ClO. Thí nghiệm phân hủy PRC/UV/NaClO được thực hiện ở ph 8,5, nồng độ NaClO 1µM. HCO 3 - được đưa vào hệ với nồng độ 1mM để đảm bảo bẫy được toàn bộ các gốc tự do khác như HO, Cl Cl 2 -.Cần chú ý rằng khi có mặt HCO 3 - thì gốc CO 3 - có thể được hình thành tuy nhiên hoạt tính của chúng với hầu hết các hợp chất hữu cơ đều rất thấp nên trong thí nghiệm này vai trò của gốc này coi như không đáng kể. Hằng số tốc độ phản ứng của PRC với ClO được tính như sau: Ln ([PRC]o/[PRC]t) = Ln ([DMOB]o/[DMOB]t) x k ClO.PRC / k ClO.DMO
-ln(prc t /PRC o ) 8 1.8 y = 1.682x R² =.9995.6.4.2.2.4.6.8 -ln([dmob] t /[DMOB] o ) Hình 3.7: Ảnh hưởng của quá trình phân hủy tổng đến quá trình phân hủy PRC bằng UV/NaClO Căn cứ vào kết quả trên ta tính được k ClO.PRC = 1,682 x 2.1 1 9 = 3,532 1 9 M -1 s -1 Căn cứ vào các kết quá tính toán nêu trên chúng tôi đã xác định được sự đóng góp của từng tác nhân oxi hóa, quá trình oxi hóa đến hiệu quả phân hủy tổng của quá trình phân hủy PRC bằng UV/NaClO. 3.4. Cơ chế chuyển hóa của quá trình phân hủy PRC bằng quá trình UV/NaClO 3.4.1. Tổng hợp và sàng lọc kết quả qua phần mềm Compoud Discoverer Theo dõi kết quả sắc kí lỏng khối phổ, dễ dàng nhận thấy hàm lượng PRC giảm dần theo cùng đó là lượng tăng dần của các hợp chất khác với thời gian lưu khác biệt. Hệ thống thiết bị LC-MS HRAM với độ phân dải cao cho phép nhận biết tín hiện ở cường độ thấp, đảm bảo các cấu trúc được hình thành dù ở cường độ nhỏ cũng có thể được phát hiện. Hình 38. Sắc đồ LC các chất được tạo thành được tổng hợp qua phần mềm Compound Discoverer. Trên sắc đồ khối phổ, các hợp chất có chứa Clo do sự kết hợp của PRC hay các chất phân hủy từ PRC với gốc tự do Cl dễ dàng được nhận biết qua tỷ lệ đồng vị của nguyên tố Clo. Để nâng cao được hiệu xuất phân hủy PRC, rút ngắn được thời gian, tác nhân NaClO được đưa vào nhằm cung cấp cơ sở để tạo ra các gốc tự do như HO, Cl. Các gốc tự do với tính hoạt hóa cao, sẽ nhanh chóng tác dụng và đẩy mạnh quá trình phân hủy, chuyển hóa PRC. Việc kết hợp sử dụng UV/NaClO là một trong những điểm mới chưa được áp dụng trên đối tượng xử lý PRC, hy vọng sẽ trở thành một công cụ hữu hiệu mới của quá trình xử lý tồn dư PRC trong nước, toàn bộ thời gian từ lúc bắt đầu đến khi hết PRC diễn ra ít hơn 1 phút. 3.4.2. Xác định các hợp chất được tạo thành và đề xuất cơ chế cho sự phân hủy PRC bằng hệ UV/NaOCl Các cấu trúc hóa học của các hợp chất trong đề tài được xác định nhờ những yếu tố sau:
Relative Abundance 9 Độ chính xác khối của phép đo phổ ESI Full scan/ms-ms, việc sử dụng máy khối phổ phân giải cao giúp cho số khối được xác định với độ chính xác cao, phần mềm Compound Discoverer được kết nối với nguồn thư viện phổ trực tuyến có thể cung cấp chính xác công thức cần tìm hoặc các gợi ý để dẫn tới công thức. Kết quả phổ MS/MS cho biết các phân mảnh ion sau được tách ra từ các phân tử mẹ, sau khi xác định được các mảnh ion này, cấu trúc của phân tử mẹ sẽ được làm rõ. Dựa vào cơ sở thí nghiệm: việc biết rõ được thành phần hệ phản ứng đầu vào, các nguồn hóa chất, quy trình thí nghiệm là một yếu tố quan trọng để thực hiện quá trình. Tất cả các hóa chất đều được sử dụng với độ tinh khiết cao nhằm hạn chế tối đa lượng vết của các tạp chất. Chất hữu cơ đầu vào duy nhất chỉ có PRC, do vậy các chất hữu cơ được sinh ra trong quá trình được khẳng định chỉ xuất phát từ PRC. Để dẫn đến việc đề xuất một cơ chế phù hợp nhất với các kết quả đã thu được, chúng tôi nhận thấy cần thiết phải làm rõ những vấn đề sau: Liệu PRC trong môi trường thí nghiệm có tồn tại dưới dạng những đồng phân khác? Xu thế của các phản ứng gốc và các cấu tạo ưu tiên của gốc tự do khi tương tác với PRC. Việc so sánh các kết quả thí nghiệm của hệ PRC/UV/NaOCl, PRC/UV và PRC/NaOCl là cần thiết cho thấy tầm quan trọng và ý nghĩa của đề tài. Tín hiệu m/z 11,6 cũng đồng thời xuất hiện ở ba vị trí RT trùng với ba vị trí của m/z 152,6 (4,93; 8,8 và 14,68), như vậy tại ba vị trí này m/z 11,6 là mảnh ion được tạo nên trong quá trình bắn phá ion chứ không phải là một hợp chất được sinh ra từ quá trình. Tuy nhiên còn có một tín hiệu nữa của m/z 9,43 khác mà không trùng với vị trí của m/z 152,6. Như vậy một hợp chất mới với m/z 11,6 thực sự được hình thành, tuy nhiên hợp chất này chỉ có thể được hình thành từ một đồng phân duy nhất (đồng phân 1, hình 3.2). RT: 2.53-15.1 45 4 SM: 15B NL: 2.34E6 m/z= 152.4-152.7 F: 275.@hcd16. [5.-5.] MS L8_1771922526 NL: 6.41E6 m/z= 11.3-11.6 F: 275.@hcd16. [5.-5.] MS L8_1771922526 35 3 8.9 25 2 15 1 14.68 3.53 4.65 6.9 8.53 9.38 2.73 5.56 9.66 6.63 9.91 7.64 1.46 11.54 12.5 13.68 2.91 11.95 14.1 5 9.43 3.1 3.48 3.94 5.77 6.25 6.65 7.11 8.52 1.1 1.62 11.91 12.26 13.7 14.34 3 4 5 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 Time (min) Hình 3.2. Sắc kí lỏng của PRC trong UV. từ trên xuống dưới, m/z 152,6, m/z 11,5 (điều kiện HPLC đẳng dòng 15%B, tốc độ,2 µl/min, dung môi A:,1% FA trong H 2 O, B: CH 3 OH Qua đó có thể khẳng định rằng tia UV, dẫn tới hình thành các gốc HO, sau đó tương tác và biến đổi cấu trúc của PRC thành các đồng vị. Tuy nhiên sự tương tác này diễn ra chậm, thời gian phản ứng với UV có thể kéo dài hàng giờ. Như vậy khả năng tương tác với PRC chỉ với tia UV diễn ra chậm, điều này cũng giải thích lý do tại sao chỉ có một lượng nhỏ của sản phẩm 1' (m/z 11,6) được hình thành: trong khi PRC vừa bị UV kích hoạt để chuyển vị thành các đồng phân, nhưng chỉ có một đồng phân có thể tạo thành 1'. Qua hai thí nghiệm riêng rẽ (chỉ sử dụng UV và NaOCl) và so sánh với kết quả với hệ UV/NaOCl, hai đồng phân mới của PRC và hợp chất 1a không được tìm thấy, và 1b được phát hiện trên LC-MS/MS với hàm lượng nhỏ. Việc sử dụng UV/NaOCl đẩy nhanh quá trình phân hủy của PRC hơn nhiều lần so với quá trình chỉ sử dụng tia UV hoặc chỉ với NaOCl. Hơn nữa, việc nghiên cứu này còn cho thấy, khi sử dụng UV/NaOCl không tìm ra bất cứ đồng phân nào khác của PRC được hình thành, điều này có tính chất quan trọng cho việc khẳng định có duy nhất một đồng 14.68
Relative Abundance 1 phân của PRC tham gia vào quá trình phân hủy, theo đó giới hạn được các khả năng sản phẩm tạo thành. Hợp chất 1 (m/z 11,6) cũng không được hình thành, và hoàn toàn không được tìm thấy trong quá trình. Trong điều kiện của phản ứng, cơ chế hình thành các gốc tự do được đề xuất như sau: HOCl/OCl - Cl + Cl - Cl 2 - HO / O + Cl HO + Cl - HOCl - Về mặt lý thuyết, các gốc tự do HO, Cl có thể tạo ra các chuỗi phản ứng như sau: Chuỗi phản ứng của nhóm HO. HO + RH R + H 2 O R + HOCl RCl + HO Chuỗi phản ứng của nhóm Cl. Cl + RH R + HCl R + HOCl ROH + Cl Phản ứng kết thúc bằng chuỗi cộng hợp các gốc tự do với nhau. HO + Cl HOCl 2Cl Cl 2 R + Cl RCl R + HO ROH R + R R-R Các phản ứng hình thành gốc và kết hợp các gốc tự do được diễn ra đồng thời, nhanh và liên tục, do đó rất nhiều các sản phẩm xuất phát từ nhiều hướng phản ứng có thể được tạo ra trong quá trình. Sự tương tác của nhóm HO và Cl cũng như các gốc tự do được hình thành từ PRC không diễn ra theo một thứ tự hay quy luật tạo nên điểm khó và hấp dẫn của đề tài. Trong cùng một điều kiện, trên LC-MS/MS xuất hiện tín hiệu của PRC với m/z 152,6 tại một RT duy nhất 5,97, điều này khác với quá trình được thực hiện chỉ với UV hoặc NaClO, chứng tỏ phản ứng xảy ra rất nhanh, không hình thành các đồng phân cấu trúc của PRC mà chuyển hóa ngay lập tức sang các sản phẩm khác. Phổ MS/MS thể hiện các tín hiệu của m/z 152,6 của [M+H]+1, và m/z 174,5 của [M+Na]+1 và mảnh phổ lớn nhất với m/z 11,6 tương ứng với công thức mảnh con chính của PRC sau khi bắn phá, điều này cũng hoàn toàn phù hợp với cơ chế phân mảnh theo lý thuyết (hình 3.23). RT: 3.21-9.84 1 95 9 85 8 75 SM: 15B 5.97 NL: 1.49E6 m/z= 151.5-152.5 F: 275.@hcd16. [5.-5.] MS M7 7 65 6 55 5 45 4 HN O +H H 2 N O rh B NH 3 35 3 25 2 15 1 5 3.24 4.32 3.81 5.3 5.18 4.54 5.7 6.59 7.54 6.82 8.3 8.33 8.82 3.42 8.17 9.41 7.14 9.6 9.78 9. 3.5 4. 4.5 5. 5.5 6. 6.5 7. 7.5 8. 8.5 9.5 Time (min) OH OH m/z 152.7 OH m/z 11.6
Relative Abundance 11 Hình 3.23. Sắc ký lỏng khối phổ của PRC, tương ứng với khối lượng phân tử 151,6 Tín hiệu m/z 152,6 và 174,5 có cường độ tín hiệu lớn nhất ở M (mẫu trước khi xử lý) và cường độ này giảm dần theo thời gian rồi biến mất hẳn ở những mẫu cuối. Vậy PRC đã chuyển hóa như thế nào và những chất nào được hình thành? Bảng thống kê các tín hiện phổ trên Compound Discoverer có thể cho chúng ta thấy một cái nhìn tương đối tổng quát về điều đó. Khi tín hiệu của PRC giảm dần, các tín hiệu phổ tăng dần được quan tâm phân tích. Tín hiệu được kết luận đầu tiên là một dẫn xuất của PRC với một nhóm -Cl, hình thành hợp chất với m/z 186,27; tiếp theo đó hợp chất này cộng hợp thêm một nhóm -Cl thứ hai để tạo nên dẫn xuất thứ hai của PRC với Clo với m/z 219,98. Các tín hiệu này cũng hoàn toàn trùng khớp với tín hiệu phổ được dự đoán. RT:. - 3. SM: 15B 5.97 NL: 1.49E6 m/z= 152.5-152.7 F: 275.@hcd16. [5.-5.] MS M7 8.56 NL: 7.3E5 m/z= 186.2-186.4 F: 275.@hcd16. [5.-5.] MS M7 1 9 8 7 6 5 4 3 2.53 1.4 NL: 2.1E5 m/z= 219.9-22.1 F: 2.57 3.24 14.39 2.15 9.98 17.64 18.45 16.73 19.97 13.62 21.72 23.2 26.53 8.17 24.84 29.88 275.@hcd16. [5.-5.] MS M7 2.75 9.85 12.84 17.2 18.87 2.34 13.9 19.81 11.12 22.56 23.73 4.24 24.93 2 1 2.23 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 Time (min) Hình 3.24: Sắc ký đồ và công thức dự kiến của hợp chất 2 (m/z 186,3) và 3 (m/z 219,98) Trên sắc đồ thể hiện sự tồn tại của ba chất hoàn toàn riêng biệt, RT 5,97 tương ứng với m/z 152,6 (PRC), dẫn xuất thế Clo một lần tại RT 8,56 ứng với m/z 186,27, RT 1,4 tương ứng với dẫn xuất hai lần thế Clo của hợp chất m/z 219,98. Tương tự như vậy, dẫn xuất diclo-prc xuất hiện ba peak chính tại các vị trí: m/z 219,986 (chứa hai đồng vị 35 Cl), m/z 221,984 (chứa một đồng vị 35 Cl và một đồng vị 37 Cl) và m/z 223,981 (chứa hai đồng vị 37 Cl) với tỷ lệ lần lượt tương ứng là 1%, 63,9% và 1,2%, cũng hoàn toàn phù hợp với dự đoán. 2.45 6.97 9.97 13.88 2.1 17.95 3.21 16.82 19.27 7.65 2.63 25.53 12.18 22.98 29.67
12 Hình 3.25: Khối phổ của monoclo-prc (2) và diclo-prc (3). Hai hợp chất này (m/z 186,27 và 219,98) hoàn toàn chưa được công bố nào ghi nhận, không có bất kì một dữ kiện phổ MS với cấu trúc trùng khớp được tìm thấy trên m/z cloud và chemspider của Compound discoverer. Tuy nhiên hai hợp chất này lại có phổ MS/MS rất phù hợp với các mảnh ion có thể tìm thấy trên lý thuyết, do đó dễ dàng có thể kết luận được. Tương tự như vậy với khối phổ hai lần của các hợp chất khác; hợp chất với khối lượng phân tử 218,98 được tìm thấy cùng với các mảnh ion như 219,99; 177,98 và 143,1. Sắc kí lỏng khối phổ LC-MS/MS của hai hợp chất này và cơ chế phân mảnh được thể hiện trong hình dưới đây.
13
Relative Abundance 14 Hình 3.26: Khối phổ MS/MS của m/z 186,5; m/z 219,99 và các cơ chế phân mảnh Hợp chất 4, m/z 174,94 (RT 1,91) chỉ được tìm thấy nhìn thất trên phổ negative của mẫu, có chứa hai nguyên tử Clo trong phân tử, công thức này đồng thời kém phân cực hơn 1 và 3. Trên phổ negative, mảnh m/z 174,95 là tín hiện của hợp chất có khối lượng phân tử 175,94 với hai clo, các tín hiệu thu được là m/z 174,95 (1%) ứng với hợp chất có chứa hai 35 Cl, 176,95 (64%) chứa một 35 Cl và một 37 Cl và 178,94 (1%) chứa hai 37 Cl, hoàn toàn phù hợp với công thức được đề xuất. RT: 6. - 15.12 1 95 9 85 8 75 7 65 SM: 15B 1.91 NL: 2.16E6 m/z= 174.9-175.1 F: FTMS - p ESI Full ms2 275.@hcd16. [5.-5.] MS m5_1 6 55 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 6.5 6.87 7.1 7.33 7.68 8.74 9.4 9.66 1.36 11.4 12.47 12.81 13.55 14.2 6 7 8 9 1 11 12 13 14 15 Time (min) 14.48
15 Hình 3.27: Sắc kí lỏng khối phổ và công thức dự kiến của các hợp chất 4 và 5 Để có được sự hình thành của 4, một hợp chất chứa 1 Cl với m/z 14,99 (5, RT 9,1) cũng đồng thời được tìm thấy. Tại RT 8,9-9,4 phút phát hiện tín hiệu m/z 14,99 chứa một nguyên tử Clo, dựa vào khoảng thời gian lưu, chúng tôi đưa ra kết luận hợp chất này có chứa một hệ liên hợp tương tự như vòng thơm. Việc hình thành các dẫn xuất của PRC với Clo trong sự tồn tại của môi trường chứa gốc tự do có thể dẫn tới quá trình hình thành các hợp chất có công thức phân tử lớn hơn là do sự kết hợp giữa hai dẫn xuất, được tìm thấy các tín hiệu trên khối phổ, một số được tìm thấy ở lượng vết. Sau khi phân tích các tín hiệu khối phổ với phương pháp phân tích tương tự, một số công thức được đề xuất như sau:
Relative Abundance 16 Hình 3.28: Một số trường hợp đề xuất công thức khác trên cơ sở phản ứng thế gốc RT:. - 3.1 SM: 15B 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 3.23 4.48 7.73 7.94 2.54 1.5 13.59 8.83 3.28 7.54 7.73 7.95 9.53 16.49 5 1 15 2 25 3 Time (min) 17.82 11.39 8.72 26.51.89 2.77 3.58 14.23 14.44 19.54 11.11 25.18 9.52 13.3 11.59 28.42 NL: 3.78E5 m/z= 31.1-31.13 F: FTMS + p ESI Full ms2 275.@hcd16. [5.-5.] MS M1 NL: 6.89E2 m/z= 317.1-317.15 F: FTMS + p ESI Full ms2 275.@hcd16. [5.-5.] MS M1 NL: 7.18E4 m/z= 333.1-333.3 F: FTMS + p ESI Full ms2 275.@hcd16. [5.-5.] MS M1 NL: 6.57E4 m/z= 335.5-335.8 F: FTMS + p ESI Full ms2 275.@hcd16. [5.-5.] MS M1 NL: 4.37E3 m/z= 351.6-351.9 F: FTMS + p ESI Full ms2 275.@hcd16. [5.-5.] MS M1 NL: 1.3E4 m/z= 369.3-369.6 F: FTMS + p ESI Full ms2 275.@hcd16. [5.-5.] MS M1 Hình 3.29: Sắc ký lỏng và khối phổ của các hợp chất tương ứng với m/z 31,13; 317,1; 333,1; 335,6; 351,6; 369,3
Relative Abundance Relative Abundance Relative Abundance Relative Abundance 17 Tín hiệu m/z 357,5 được cho là tín hiệu ion của mảnh [M+Na]+1, tương ứng với khối lượng phân tử 334,7, hợp chất này được xác định là có chứa một nguyên tử clo trong phân tử. RT:. - 3. 1 95 9 85 8 SM: 15B 8.79 NL: 4.92E4 m/z= 335.7-335.9 F: 275.@hcd16. [5.-5.] MS M5 M5 #234-2423 RT: 8.54-8.99 AV: 6 NL: 2.32E5 F: 275.@hcd16. [5.-5.] 22 2 75 7 65 6 55 5 18 16 14 12 45 4 35 3 25 1 8 6 357.5 2 15 4 359.5 1 5 1.95 11.46 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 Time (min) 352 353 354 355 356 357 358 359 36 361 362 363 364 365 366 367 368 m/z Hình 3.3: Sắc ký lỏng và khối phổ của m/z 357,5 Ngoài ra, trên sắc đồ LC-MS cũng cho thấy xuất hiện hai tín hiệu phổ có cùng m/z 357,5 với thời gian lưu khác nhau (RT 8,79 và 1,95) như vậy tồn tại hai đồng phân có cùng khối lượng phân tử là 334,7 Các cấu trúc của đồng phân và một số xu hướng hình thành các hợp chất sẽ được trình bày ở phần tiếp theo, bắt đầu với một số giả thiết liên quan đến sự hình thành của chúng: 2 358.5 359.23 358.88 36.5 361.5 356.85 362.44 352.97 354.88 363.19 Hình 3.31: Các công thức dự kiến hợp chất 6 và một số hướng hình thành (m/z 335,7) Để đi sâu vào quá trình hình thành nên các hợp chất này, chúng tôi đưa ra một số lập luận như sau: phản ứng có thể đi theo hai hướng (1) và (2). Hợp chất m/z31,1 được tìm thấy tín hiệu ở hai khoảng RT (7,9-7,95 và 9,5-9,56) khác nhau, điều này chứng tỏ có tồn tại một hợp chất 8 là đồng phân của 6. RT:. - 3.1 1 95 9 85 8 75 7 65 6 55 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 SM: 15B 7.95 9.54 14.89 16.22 3.51 18.49 2.72 1.77 13.94 23.41 26.39 6.9 11.81 27.18 2.41 27.98 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 Time (min) NL: 5.5E6 m/z= 323.8-324. F: 275.@hcd16. [5.-5.] MS M1 M1 #2118-227 RT: 7.69-8.32 AV: 77 NL: 1.33E6 F: 275.@hcd16. [5.-5.] 1 95 9 85 8 75 7 65 6 55 5 45 4 35 3 25 2 15 1 5 325.1 35.15 36.84 32.9 314.89 39.12 326.1 316.89 331.9 319.16 332.86 311.11 322.8 334.86 339.9 35 31 315 32 325 33 335 m/z 323.9 324.9
Relative Abundance Relative Abundance 18 Hình 3.32: Sắc ký lỏng khối phổ và công thức dự kiến của 8 và 8 Tương tự như vậy như cách giải thích sự hình thành của 8, một số hợp chất chứa hai dẫn xuất khác của PRC (11, 12, 13 ) cũng được giải thích. Để dẫn tới những hợp chất này, ngoài các phản ứng thế gốc tự do và các phản ứng oxi hóa, có thể một số các phản ứng hóa học thông thường cũng xảy ra. Các hợp chất 11, 12, 13 được tìm thấy với hàm lượng vết. RT:. - 3. 1 9 8 7 6 5 SM: 15B 7.28 8. 8.89 9.56 2.44 11.76 13.58 1.57 16.32 19.93 21.57 23.71 3.62 18.69 25.59 6.13 26.78 14.9 27.56 11.12 8.74 1.95 25.7 NL: 3.16E6 m/z= 323.9-324.1 F: 275.@hcd16. [5.-5.] MS m4 NL: 3.81E4 m/z= 335.7-335.9 F: 275.@hcd16. [5.-5.] MS m4 NL: 3.39E3 m/z= 353.4-353.6 F: 275.@hcd16. [5.-5.] MS m4 NL: 1.6E4 m/z= 369.2-369.5 F: 275.@hcd16. [5.-5.] MS m4 4 3 7.81 2 1 3.26 7.78 12.87 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 Time (min) Hình 3.33: Sắc ký lỏng khối phổ và công thức dự kiến của các hợp chất 11,12,13 Ngoài các hợp chất với m/z lớn hơn khối lượng phân tử của PRC, nhiều các hợp chất với khối lượng phân tử nhỏ hơn 152,6 cũng được hình thành. Quan sát hợp chất có tín hiệu m/z 144,1, trên sắc đồ xuất hiện ba tín hiệu. Trong đó tín hiệu với cường độ lớn nhất có RT trùng với hợp chất 2. Hai hợp chất còn lại với RT 1,1 và 1,5 được cho là kết quả của sự sắp xếp lại các liên kết trong phân tử (hình 3.33). RT:. - 3.1 SM: 15B 12 11 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 2.62 2.5 2.54 2.84 1.1 1.19 1.47 3.15 12.84 13.8 17.84 18.81 2.62 4.81 7.27 1.51 21.52 23.81 25.88 28.31 2.34 3.21 1.5 12.88 15.59 18.27 19.66 21.52 1.22 3.68 6.54 7.25 22.64 24.31 26.6 3.2 2.33 3.24 12.87 13.22 16.76 19.15 2.45 2.8 3.64 5.8 8.39 22.25 24.16 26.2 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 26 28 3 Time (min) NL: 8.1E5 m/z= 144.1-144.3 F: 275.@hcd16. [5.-5.] MS M8 NL: 7.69E5 m/z= 144.1-144.3 F: 275.@hcd16. [5.-5.] MS m9 NL: 7.4E5 m/z= 144.1-144.3 F: 275.@hcd16. [5.-5.] MS m1 RT: 9.2-17.15 15 1 5 15 1 5 15 1 5 SM: 15B 1.9 1.47 12.84 12.79 14.69 14.89 12.14 15.94 9.7 12.9 13.49 15.58 16.78 11.19 11.54 1.1 1.51 12.88 14.4 14.94 9.89 12.79 13. 15.59 15.84 11.2 11.93 16.48 13.35 13.95 16.95 1.19 1.5 9.86 11.19 12.87 11.31 12.24 12.55 12.98 13.74 14.7 14.74 15.13 15.88 16.8 16.76 1 11 12 13 14 15 16 17 Time (min) NL: 1.44E4 m/z= 144.1-144.3 F: 275.@hcd16. [5.-5.] MS M8 NL: 2.71E4 m/z= 144.1-144.3 F: 275.@hcd16. [5.-5.] MS m9 NL: 3.41E4 m/z= 144.1-144.3 F: 275.@hcd16. [5.-5.] MS m1
19 Hình 3.34: Sắc ký lỏng khối phổ và công thức dự kiến của m/z 144,1 (12, 13a và 13b) Một hợp chất chứa ba clo được tìm thấy tại RT trong khoảng 2,4-2,8 min trên phổ negative với m/z lần lượt là 16,833 (1%); 162,83 (95,9%); 164,87 (3,6%); 161,833 (2,2%) và 163,83 (2,1%), hợp chất này hoàn toàn phù hợp với công thức được đề xuất dưới đây: Hình 3.35: Sắc ký lỏng và khối phổ của m/z 16,883 Việc hình thành lên m/z 161,9 cho thấy rõ ràng phân tử PRC đã bị bẻ gãy trong quá trình tham gia phản ứng với các gốc tự do. Bảng 3.1: Công thức dự kiến của các hợp chất có khối lượng phân tử nhỏ Kí hiệu hợp m/z, [M+/-1] RT Công thức dự kiến chất 14 16,833; [M-1] 2,62
2 15 14,9;[M-1] 2,52 16 92,92; [M-1] 2,5 17 138,9; [M+1] 2,42 18 128,93; [M+1] 2,6 19 8,95; [M+1] 2,5 2 78,96; [M+1] 2,32 Việc tạo thành các cấu trúc nhỏ hơn cho thấy PRC đã bị hệ thí nghiệm tác động và phân hủy qua nhiều phản ứng liên tiếp. Điều này có thể bắt đầu từ một vài hợp chất trung gian khi sản phẩm được hình thành làm mất một phần sự cộng hưởng mạnh mẽ của hệ liên hợp các nối đôi trong vòng thơm, qua một vài tương tác dẫn tới việc bẻ gãy các liên kết trong phân tử ban đầu và hình thành nhiều hợp chất có khối lượng phân tử nhỏ hơn, quá trình này thường đi cùng quá trình oxy hóa để tạo ra các hợp chất carbonyl, acid hay dẫn xuất của chúng. Quá trình này xảy ra trên các hợp chất chứa clo, do đó các sản phẩm sinh ra cũng có chứa clo. Một số các hợp chất có khối lượng phân tử phù hợp với một vài gợi ý mà phần mềm Compound Discoverer đưa ra. Bên cạnh đó cũng không thể không nhắc tới khả năng mở vòng của benzoquinone và các dẫn xuất monocle và diclo 4, và 5. Kết hợp với kết quả của các nhóm nghiên cứu trên thế giới, cộng với việc lặp lại thí nghiệm xử lý PRC trong UV và NaOCl riêng biệt, các hợp chất đã được công bố đều không được tìm thấy, do đó khả năng mở vòng xảy ra nhiều hơn ở các dẫn xuất 4, 5 (hình 3.36).
21 Hình 3.36: Cơ chế đề xuất của quá trình phá vỡ vòng thơm để tạo nên các phân tử nhỏ hơn 3.4.2. Kết luận Với một quá trình có sự biến đổi nhanh như quá trình phản ứng của các gốc tự do, việc hình thành các gốc không bền hay những chất trung gian có thời gian tồn tại ngắn, thì đây là một phương pháp tối ưu để có thể phát hiện được tận gốc của vấn đề. Do đó có thể đề xuất những công thức và cơ chế một cách cụ thể nhất có thể. Từ những công thức phân tử các chất đã được phân tích, cơ chế phân hủy PRC trong UV/NaOCl được đề xuất như sau:
22 1) Đề xuất cơ chế các phản ứng thế gốc tự do hình thành các hợp chất dẫn xuất vòng thơm với các nhóm thế -Cl và -OH: Hình 3.4.21. Cơ chế các phản ứng thế gốc tự do hình thành các hợp chất dẫn xuất vòng thơm với các nhóm thế -Cl và -OH
2) Cơ chế dẫn tới quá trình bẻ gãy liên kết và hình thành các phân tử nhỏ hơn. 23 Hình 3.4.22: Cơ chế dẫn tới quá trình bẻ gãy liên kết và hình thành các phân tử nhỏ hơn Phương pháp không những đưa tới một cái nhìn cụ thể và sâu hơn về quá trình phân hủy PRC trong UV/NaOCl mà còn mang đến một công cụ hữu ích, mở ra một hướng mới trong việc ứng dụng những công nghệ tiên tiến vào nghiên cứu khoa học ở Việt Nam.
24 KẾT LUẬN Từ các kết quả nghiên cứu trên chúng tôi có thể đưa ra một số kết luận như sau: 1. Đã nghiên cứu quá trình động học tìm ra được các điều kiện tối ưu khảo sát sự ảnh hưởng của cường độ đèn UV, nồng độ NaClO, ph và các ion vô cơ, các hợp chất hữu cơ hòa tan đến sự phân hủy của PRC trên các hệ quang hóa UV, UV/NaClO. 2. Xác định được quá trình quang phân hủy PRC khi sử dụng hệ UV và UV/NaClO tuân theo phương trình động học bậc một. Các kết quả thu được chỉ ra rằng quá trình UV/NaClO có hiệu quả hơn nhiều trong phân hủy PRC so với chỉ chiếu xạ UV hoặc UV/H 2 O 2. - Tốc độ phân hủy của PRC tăng khi ph tăng từ 3,5 đến 8,5 tuy nhiên mức độ tăng không nhiều. Cụ thể tăng từ 1,82 1-3 s -1 đến 2.67 1-3 s -1 - Tăng nồng độ tác nhân oxy hóa NaClO làm tăng hằng số tốc độ biểu kiến của quá trình phân hủy PRC bằng UV/NaClO. - Sự có măt của các ion vô cơ làm giảm hiệu suất phân hủy PRC, tuy nhiên mức độ ảnh hưởng không giống nhau. NH 4 +, NO 3 - làm giảm mạnh nhất hiệu quả xử lý của quá trình. - Các hợp chất hữu cơ hòa tan có mặt trong nước cũng là yếu tố cản trở lớn đến hiệu quả của quá trình phân hủy PRC do các DOM là các chất săn bắt gốc tự do mạnh và hấp thụ tia UV. 3. Đã xác định được hiệu suất lượng tử của PRC trong quá trình quang phân trực tiếp là,258 mol einstein. 4. Đã xác định được hằng số tốc độ phản ứng bậc 2 của các gốc tự do OH Cl ClO với PRC. Cụ thể :hằng số tốc độ phản ứng với gốc OH = 4,19.1 9 M -1 s -1 ; với gốc Cl = 3,71.1 1 M -1 s -1 ; với gốc ClO = 3,532.1 9 M -1 s -1 5. Đã xác định được các sản phẩm phụ sinh ra trong quá trình phân hủy PRC bằng hệ UV/NaClO và đã đề xuất cơ chế phân hủy phù hợp nhất, chi tiết nhất có thể.