芬顿反应中亚铁离子（FeIVO2+）的直接电子顺磁共振证据

《Applied Catalysis B: Environment and Energy》：Direct electron paramagnetic resonance evidence for ferryl ion (FeIVO2+) in Fenton chemistry

　　

Pu Wang|Shandi Bai|Pengfeng Hu|Ronghui Xiao|Lingli Wang|Yu Fu|Xueqi Hu|Zhaohui Wang|Xiaohong Guan

中国上海200241，华东师范大学生态与环境科学学院，有机固体废物生物转化上海工程研究中心

摘要

本研究首次利用电子顺磁共振技术直接明确了芬顿反应体系中的亚铁离子（Fe^IVO²⁺）的存在。通过结合高分辨率质谱数据与理论计算分析，我们发现传统的自旋捕获剂5,5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物（DMPO）会被Fe^IVO²⁺通过多步反应途径选择性地氧化，最终生成5,5-二甲基-1-吡咯烷酮-N-氧化物（DMPOX）作为特征产物。该氧化过程涉及DMPO-^•OH和1-羟基-5,5-二甲基-1-吡咯烷-2-酮（HDMPN）等关键中间体。DMPOX独特的EPR光谱特征可作为Fe^IVO²⁺的高灵敏度且明确的检测指标，这一结论也通过苯甲基亚砜探针技术得到了验证，而该技术是用于定量检测高价金属离子的常用方法。进一步的实验验证表明，该方法能够有效区分Fe^IVO²⁺与羟基自由基（^•OH），并通过调节DMPO浓度实现对十种铁配体复合体系中Fe^IVO²⁺生成的定量监测。因此，本研究提供了一种基于EPR的可靠检测方法，解决了长期以来关于芬顿反应中主要活性物种（^•OH和/或Fe^IVO²⁺）的识别争议，这一课题至今已研究了一个多世纪。

引言

芬顿反应涉及亚铁离子（Fe²⁺）和过氧化氢（H₂O₂），在各种化学、生物系统以及自然环境中极为常见[1]、[2]。然而，关于这一看似简单的反应中活性氧化剂的身份，长期以来一直存在争论[3]、[4]、[5]、[6]、[7]、[8]。现有证据表明，在酸性pH条件下，芬顿反应主要产生羟基自由基（^•OH）[（1）、（2）]，而在接近中性pH条件下则会生成亚铁离子（Fe^IVO²⁺）[方程3][9]、[10]、[11]。与^•OH不同，亚铁离子是一种单核高自旋复合体，其Fe/O 3σ*(α)轨道能量较低[图S1][12]，具有适中的氧化电位（1.3 – 2.0?V）、相对较长的寿命（约7秒），并且在氧化背景无机离子时具有很强的选择性[13]、[14]、[15]。这些特性使得亚铁离子在复杂体系中进行持续氧化反应时具有很好的稳定性[15]。尽管近年来人们已经认识到亚铁离子在芬顿反应中的重要性，但目前仍缺乏直接证据支持其参与反应。Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe³⁺ + ^•OH +?OH^?Fe³⁺ + H₂O₂ → Fe²⁺ + ^•OOH +?H⁺Fe²⁺ + H₂O₂ → Fe^IVO²⁺ + H₂O

在芬顿反应体系中检测常见的自由基（如^•OH和过氧氢自由基^•OOH）一直是研究热点，由此催生了多种检测方法的发展，包括分光光度法[16]、[17]、[18]、荧光探针[19]、[20]、[21]、[22]、化学发光探针[23]、[24]以及自旋捕获技术[25]、[26]。然而，单一检测方法存在诸多局限性。例如，苯甲酸常被用作^•OH的探针，但它也能与其他活性氧物种发生反应[27]、[28]。因此，亟需开发多种检测策略，比如结合不同的淬灭方法、探针技术和自旋捕获技术，以提高检测准确性。最近有一种被称为“五探针策略”的新方法被提出，旨在解决在复杂体系中使用单一化学探针所带来的可靠性问题[29]。不过，目前仍缺乏用于检测亚铁离子的有效方法，尤其是在均相水溶液中。迄今为止，诸如莫斯堡尔谱和X射线吸收近边结构谱这类直接检测亚铁离子的方法存在诸多缺陷，比如在水环境中的抗干扰能力较差且灵敏度低[12]、[30]、[31]。常用的化学探针（如二甲基亚砜和苯甲基亚砜）通常用于间接检测亚铁离子[9]、[32]，其中苯甲基亚砜是在各种基于铁的高级氧化过程中识别亚铁离子最常用的探针，人们通过高效液相色谱法测定由亚铁离子氧化苯甲基亚砜产生的甲基苯砜作为检测指标[33]，但最新研究表明，甲基苯砜的形成也可能源于其他无关的副反应，而且它还容易因光解以及与其他活性物质的相互作用而丢失[34]。此外，实验操作也会显著影响苯甲基亚砜探针检测的可靠性[2]。虽然苯甲基亚砜探针检测方法十分重要，但它并非绝对准确。

在芬顿反应过程中，加入自旋捕获剂5,5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物后，可以捕获^•OH以及^•OOH/O₂^•?，从而产生相应的电子顺磁共振信号，这些信号对应于DMPO-^•OH和DMPO-^•OOH/O₂^•?自旋加合物。这些EPR信号的有效性已在之前的研究中得到充分验证[25]、[26]、[35]，但亚铁离子产生独特自旋加合物EPR信号的潜力尚未得到充分探讨。在与高级氧化过程相关的研究中，经常能检测到5,5-二甲基-1-吡咯烷酮-N-氧化物信号（α_N = 7.1，α_H (2) =?4.2），这些信号通常被认为是由^•OH导致DMPO或1-羟基-5,5-二甲基-1-吡咯烷-2-酮（DMPOX的前体）过度氧化所形成的[36]、[37]、[38]、[39]。不过在芬顿反应体系中也曾观察到DMPOX信号，从理论层面来看，其形成不太可能是由^•OH引发的过度氧化所致，因为^•OH与DMPO-^•OH加合物反应后通常会导致环结构打开并发生矿化作用，而非单纯的氢原子抽取或质子耦合电子转移反应。如果这一假设能够得到证实，将有助于推动基于EPR的方法在其它不同反应场景中识别亚铁离子的应用。

在本研究中，我们试图通过EPR分析揭示亚铁离子的复杂行为，并首次为亚铁离子的识别提供了EPR证据。首先，我们追踪了芬顿反应体系中亚铁离子的存在情况，同时阐明了亚铁离子对DMPO的选择性氧化行为。随后，我们明确了以亚铁离子为主导的反应路径，并通过对十种常见铁配体的研究进一步验证了这一路径。此外，我们还研究了亚铁离子选择性氧化DMPO的机制。我们的研究为理解生物化学和自然系统中亚铁离子的生成及其动态变化提供了新的视角。

章节摘录

化学品

自旋捕获剂DMPO购自日本Dojindo Molecular Technology Co., Ltd.；过硫酸钾（PDS；纯度99.5%）、过氧化氢（H₂O₂；浓度30%）以及硫酸（H₂SO₄；纯度95 – 98%）则购自中国国药集团化学试剂有限公司。糠醇（FFA；纯度99%）、丙二酸（Mal，纯度99%）、脯氨酸（C₅H₉NO₂，纯度99%）、烟酸（NA，纯度99%）、（E）-1,2-二苯乙烯（反式芪，纯度98%）、1,10-菲咯啉（邻菲啰啉，纯度≥99%）、乙酸盐（C₂H₄O₂，纯度99%）以及四氟硼酸铁（Fe(BF₄)₂，

指示亚铁离子存在的EPR标记物

在典型的芬顿反应体系中，我们对EPR光谱的时间变化进行了系统分析（见图1a）。与以往研究结果一致，我们成功检测到了^•OH的特征信号（α_N = 14.9?G，α_H = 14.9?G），以及DMPO的氧化产物，尤其是DMPOX（α_N = 7.1?G，α_H = 4.2?G，α_H = 4.2?G）和2,2-二羟基-5,5-二甲基-1-吡咯烷基化合物（HDMPO-OH，α_N = 15.5?G）（见图1b）[25]、[26]、[37]。有趣的是，有三个信号呈现出明显的波动规律

结论

我们首次提供了亚铁离子存在于芬顿反应体系中的EPR证据，为在不同反应环境中识别亚铁离子提供了一种可靠的检测方法。通过系统的研究，我们阐明了亚铁离子介导的氧化反应机制，以及该机制如何导致DMPOX的形成，这为EPR自旋捕获分析提供了新的见解。借助这种方法，我们成功区分了十种结构不同的配体对亚铁离子生成的影响，

数据与软件获取方式

所有研究数据均收录在文章正文及/或补充材料中。

CRediT作者贡献说明

Zhaohui Wang：撰写——审阅与编辑、指导、资源提供、资金筹集、概念构思。Xiaohong Guan：撰写——审阅与编辑、正式分析。Yu Fu：可视化、验证。Xueqi Hu：验证、正式分析。Lingli Wang：软件应用、方法设计、资金筹集。Pengfeng Hu：实验研究。Ronghui Xiao：实验研究、正式分析。Pu Wang：撰写——初稿撰写、实验研究、正式分析、数据整理。Shandi Bai：方法设计、实验研究、数据整理

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。

致谢

本研究得到了上海市自然科学基金（编号：24ZR1419600）、国家自然科学基金（编号：22406058）、中国博士后科学基金（编号：2024M760931）以及中国博士后科学基金会博士后资助计划（编号：GZC20240478）的支持。