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Molecular Mechanism for Converting Carbon Dioxide Surrounding Water Microdroplets Containing 1,2,3-Triazole to Formic Acid

化学 甲酸 二氧化碳 分子内力 反应机理 质子 分子动力学 电子转移 氢键 分子 光化学 计算化学 有机化学 立体化学 催化作用 物理 量子力学
作者
Ke Gong,Yifan Meng,Richard N. Zare,Jing Xie
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (12): 8576-8584 被引量:37
标识
DOI:10.1021/jacs.4c00529
摘要

Spraying water microdroplets containing 1,2,3-triazole (Tz) has been found to effectively convert gas-phase carbon dioxide (CO2), but not predissolved CO2, into formic acid (FA). Herein, we elucidate the reaction mechanism at the molecular level through quantum chemistry calculations and ab initio molecular dynamics (AIMD) simulations. Computations suggest a multistep reaction mechanism that initiates from the adsorption of CO2 by Tz to form a CO2-Tz complex (named reactant complex (RC)). Then, the RC either is reduced by electrons that were generated at the air-liquid interface of the water microdroplet and then undergoes intramolecular proton transfer (PT) or switches the reduction and PT steps to form a [HCO2-(Tz-H)]- complex (named PC-). Subsequently, PC- undergoes reduction and the C-N bond dissociates to generate COOH- and [Tz-H]- (m/z = 69). COOH- easily converts to HCOOH and is captured at m/z = 45 in mass spectroscopy. Notably, the intramolecular PT step can be significantly lowered by the oriented electric field at the interface and a water-bridge mechanism. The mechanism is further confirmed by testing multiple azoles. The AIMD simulations reveal a novel proton transfer mechanism where water serves as a transporter and is shown to play an important role dynamically. Moreover, the transient •COOH captured by the experiment is proposed to be partly formed by the reaction with H•, pointing again to the importance of the air-water interface. This work provides valuable insight into the important mechanistic, kinetic, and dynamic features of converting gas-phase CO2 to valuable products by azoles or amines dissolved in water microdroplets.
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