Az ózon reakciói

1. Az ózon reakciói Carl Dietrich Harries (1866-1923) Az ózon kémiai tulajdonságainak vizsgálata (több mint 100 közlemény) Harries, Staudinger, Rieche Az ózon szerves vegyületekkel végbemenő reakcióinak tanulmányozása. A mechanizmusok felderítése (ciklikus peroxidok létezésének feltételezése) Rudolf Criegee (1902-1975) Az ózon szerves vegyületekkel végbemenő reakcióinak tanulmányozása. A mechanizmusok felderítése (olefinek ózonlízisének Criegee-féle mechanizmusa.)

2. Az ózon kémiai tulajdonságai + O O O - - + 4e- O O O O O O Az ózon szerves vegyületekkel való reakciói során molekulaszerkezetéből kifolyólag szerepelhet 1,3-dipólként, elektrofil és nukleofil partnerként. Az esetek többségében oxigénatom-transzferrel, vagy közvetlen töltésátmenettel reagál, oldatfázisbeli bimolekuláris reakcióinak sebességi együtthatója széles tartományban (10-3 – 105 mol-1dm3s-1) mozog. Az esetek jelentős részében (főleg oldat fázisban) nem az ózon, hanem a bomlása során keletkező gyökök reagálnak. Nehéz elkülöníteni a gyökös és nem gyökös folyamatokat.

3. Az ózon reakciói szervetlen vegyületekkel Bromidion jelenlétében végbemenő oxidációs folyamatok O3 + Br-  O2 + BrO- O3 + BrO-  (O2 + BrOO-)  Br- + 2O2 Rákkeltő trihalometánok képződése (potenciális rákkeltő anyagok (B2) kategóriája) BrO3- : 25 g dm-3 (WHO), 10 g dm-3 (USEPA)

4. Az ózon reakciói szervetlen vegyületekkel

5. Az ózon reakciói szervetlen vegyületekkel Ammónia reakciója ózonnal Vízben előforduló szervetlen komponensek ózonnal való reakciókészsége SO32- >S2- > HS- > NO2-  CN-  HSO3- Fe2+ > NH2OH  H2S  H2SO3  ClO2>> NH2Br > NH3>> Cl- > SO42-

6. Aminok (ammónia) reakciója ózonnal Primer aminok:

7. Aminok (ammónia) reakciója ózonnal Abban az esetben, ha az amino-csoporthoz primer alkil-csoport kapcsolódik, lejátszódhat az alkil-oldallánc intramolekuláris oxidációja. Tercier aminok: Csak protonálatlan (nukleofil) aminocsoport (ammónia) lép reakcióba közvetlenül ózonnal. Reaktivitásuk megközelíti az alkének ózonnal szembeni reaktivitását.

8. 2: primer ózonid, 3: labilis kettősion 4: karboniloxid kettősion, 5: aldehid vagy keton Az ózonolízis Criegee-féle mechanizmusa

9. Az ózonolízis Criegee-féle mechanizmusa Bizonyítékok: Ozonidok termikus bontásának tanulmányozása Oldószer polaritás hatásának tanulmányozása Termékeloszlás (aldehidek hozzáadásnak hatása) tanulmányozása Aszimmetrikus ozonidok átalakulása során „crossed-ozonide” keletkezett

10. Acetilének ózonolízisének mechanizmusa (Criegee)

11. Benzol ózonolízisének mechanizmusa (Criegee)

12. A fenol vizes oldatban lejátszódó ózonolízisének sémája

13. Ózon hidrogén-absztrakciós reakciói R-H + O3 = R• + • OH + O2 Azon vegyületekre jellemző, melyekben a C-H kötés felszakításának energiája a szomszédos csoportok elektronszívó hatásának köszönhetően lecsökken. (aldehidek, savak, aminok) A reakciósebességet jelentősen befolyásolja az absztrahálandó H atom kémiai környezete. hangyasav + ózon k = 5 mol-1 dm3 s-1 formiátion + ózon k = 100 mol-1 dm3 s-1 fenol + ózon k = 103 mol-1 dm3 s-1 fenolát + ózon k = 109 mol-1 dm3 s-1

14. Szubsztituens hatása Szubsztituens hatása az ózon és a benzol származékok bimolekuláris sebességi együtthatójára (k0 (benzol+ózon) = 2±0.4 M-1s-1) A szubsztituált benzolok reaktivitása nagymértékben függ a benzolgyűrű szubsztituensétől. Elektronküldő (alkil-, hidroxil-) csoport aktiválja, elektronvonzó (nitro-, halogenid-, karboxil-) csoport dezaktiválja az aromás gyűrűt az ózonnal való reakcióban (elektrofil reagenssel szemben)

15. Aktivált C-H kötést tartalmazó vegyületek reakciója ózonnal Aldehidek

16. Aktivált C-H kötést tartalmazó vegyületek reakciója ózonnal Alkoholok

17. Nem aktivált C-H kötést tartalmazó vegyületek reakciója ózonnal Hidrotrioxid-intermedier Alkánok

18. Az ózon bomlása vízben (gyökös láncreakció) Indító reakció: az ózon reakciója a hidroxid-ionnal

19. Az ózon bomlása vízben az TFG modell szerint Tomiyasu, Fukutomi, Gordon semleges, lúgos oldatban érvényes a modell Bizonyíték: H2O2 hozzáadása csak pH>4 esetén (pK = 11.65) növeli meg az ózon bomlásának sebességét,

20. Az ózon bomlása vízben az TFG modell szerint Tomiyasu, Fukutomi, Gordon

21. Az ózon bomlása vízben az SBH modell szerint Staehelin, Bader, Hoigné

22. Az ózon bomlása vízben az SBH modell szerint Staehelin, Bader, Hoigné

23. A két mechanizmus összehasonlítása SBH TFG Más az indító (az ózon és a hidroxid-ion közötti) reakció sztöchiometriája. O3 + OH-  HO2- + O2 HO2-+ O3  O2- + HO2 O3 + OH-  HO2 + O2 - A TFG modellben nem szerepel a HO4 (perozonid) és a HO3 gyök. Az oldat pH-ja határozza meg a gyökök koncentrációját és megoszlását.

24. A két mechanizmus összehasonlítása SBH TFG Savas oldatban Semleges és lúgos oldatban SHH (Sehes-Ted, Holcman, Hart) modell Az O3 bomlását az oldott O2 koncentrációja csökkenti O3  O2 + O H2O+ O  2 OH 16,16,16O3 és 18,18O2 közötti izotópcsere megy végbe pH növelésével ezen láncindítás elhanyagolhatóvá válik

25. Az ózon és a hidroxil-gyök szerves vegyületekkel szembeni reaktivitásának összehasonlítása A hidroxil-gyök reaktívabb és kevésbé szelektív szerves vegyületekkel szemben mint az ózon.

26. Az ózon gyökös bomlását gyorsító és lassító hatású anyagok Gyorsítók (promótorok) A láncvivő gyökökkel (OH•) az ózon bomlásában láncvivőként résztvevő gyök (•O2-) képződésével reagálnak.

27. Az ózon gyökös bomlását gyorsító és lassító hatású anyagok Tercier-Butil-alkohol Karbonát-, hidrogénkarbonát-ion Lassítók (inhibítorok) A láncvivő gyökökkel (OH•) kicsiny reaktivitású terméket képeznek.

28. Az ózon gyökös bomlását gyorsító és lassító hatású anyagok Iniciátorok Az ózonnal való reakció során gyököket generálnak , amelyek azután részt vesznek az ózon átalakulásában, megnövelve a rendszer gyökkészletét.  Hidroxil gyök (HO•) Formiátion UV sugárzás Hidrogén-peroxid fémionok Fe2++ O3 = FeO2+ + O2 2 FeO2+ + 2 H2O = 2 Fe3+ + H2O2 + 2 OH- FeO2+ + H2O2 = Fe3+ + HO2 + OH- FeO2+ + H2O = Fe3+ + HO + OH-

29. Az elsődlegesen képződő gyökök reaktivitása A gyökök reaktivitása a következő sorrendben változik: •OH >> •O2- > •O3-  •O- > •HO2 Szelektív, specifikus gyökgenerálási módszerek csak elvétve fordulnak elő, így a reakciórendszerek rendkívül összetettek és nehezen jellemezhetők. A hidroxil-gyök reakciói szerves anyagokkal 1. Hidrogén absztrakció: OH• + RH  R• + H2O k = 107-109 mol-1dm3s-1 2. Gyökaddíció: PhX + •OH = HOPhX• k = 108-1010 mol-1dm3s-1 3. Töltésátvitel: R-COO- + •OH = R-COO• + OH- k = 106-108 mol-1dm3s-1 4. Rekombinációs: R + OH = ROH k = 108-1010 mol-1dm3s-1

30. Az elsődlegesen képződő gyökök reaktivitása A szuperoxid gyökion (•O2-) reakciói • Rekombinációjának sebessége nagyon kicsi, a folyamat általában • elhanyagolható 2. Protonálódva HO2• keletkezik 3. Töltésátvitel: R + O2•- = R- + O2 E0(O2/ O2•-)=-0,33V ésE0(O2•-,2H+/H2O2) =+1,71V 4. Hidrogén absztrakció: RH2 + O2•- = RH• + HO2- A HO2• reakciói • HO2• = O2•- + H+ pK= 4,8 • Rekombinációs reakciók során H2O2 keletkezik • 2 HO2• = H2O2 + O2 • HO2• + O2•- + H2O= H2O2 + O2 + OH- 3. Hidrogén absztrakció: RH2 + HO2• = RH• + H2O2

31. Az elsődlegesen képződő gyökök reaktivitása A gyökök reaktivitása a következő sorrendben változik: •OH >> •O2- > •O3-  •O- > •HO2 Az •O3- és •O-reakciói • •O3-= O2 + •O- 2. •O3- + H2O = OH• + O2 + OH- 3. Töltésátvitel, addíció

32. Az elsődlegesen képződő gyökök reakciói Molekuláris oldott oxigén jelenlétében a szerves gyökre addícionálódik az oxigén. R + O2 = ROO• peroxilgyök A reakció általában irreverzibilis, sebességi állandójának értéke sok esetben megközelíti a diffúzió kontrollált reakciók sebességi állandójának értékét. A peroxilgyök reakciói 1. HO2 elimináció: RHOO•  R• + HO2 2. O2- elimináció 3. Rekombináció: 2 ROO• = 2 ROOOOR (Russel-mechanizmus) 4. Rekombinációs: R + OH = ROH 5. H absztrakció: HR + ROO = ROOH + R

33. A peroxilgyök reakciói HO2 elimináció O2- elimináció

34. A peroxilgyök reakciói Intramolekuláris reakció Elektron és O átvitel

35. A peroxilgyök reakciói Rekombináció - tetroxidok további átalakulásai

36. Hidroxil-gyök generálási eljárások ózonból • Ózon + UV-fény (253,7 nm, kisnyomású Hg-gőz lámpa) • O3 + H2O2 + hν O2 + H2O2 (kalitka effektus) 2. Ózon + hidrogén-peroxid + UV (ε(H2O2)=18 mol-1dm3cm-1 (ε(H2O2) = 240 mol-1dm3cm-1 3. Ózon + hidrogén-peroxid