Structure-Dependent Reactivity and Transformation Products of Polyfluoroalkyl Substances by Hydroxyl Radicals

反应性(心理学) 化学 位阻效应 激进的 反应速率常数 动力学 转化(遗传学) 过渡状态 立体化学 有机化学 一级 天然产物 反应机理 计算化学 密度泛函理论 链式传播 光化学 分子 化学转化 功能群 组合化学 终端(电信)
作者
Wenyu Shan,Ruichen Wang,Xinrui Li,Kemeng Wang,Zilin Yang,Yinjuan Chen,Yanyan Zhang
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:59 (49): 26682-26692
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c06831
摘要

Polyfluoroalkyl substances (PoFAS) can be oxidized by hydroxyl radicals (OH) in both natural and engineered treatment systems, yet a comprehensive understanding of their structure-dependent reactivity and transformation products remains unexplored. Herein, we investigated the OH-mediated transformation of 28 PoFAS among four distinct classes using UV/H2O2 and unraveled the mechanisms governing their reactivity and product formation. The second-order rate constants revealed a reactivity order of alkenyl PoFAS (C═C, ∼109 M-1·s-1) > PoFAS with H-substitution at the headgroup (-SO2N-) or α-C (-CH2-, ∼108 M-1·s- 1) ≫ H-substitution at ω-C (H-CF2-, ∼105 M-1·s-1). Transition state theory effectively identified initial OH attacking sites and unraveled how H-substitution patterns, headgroup chemistry, and steric hindrance collectively dictate PFAS reactivity. The experimentally derived rate constants were well described (R2 = 0.790, p < 0.01) by the calculated free energy of activation (3.79-14.8 kcal/mol). Analysis of transformation pathways based on products identified revealed the capability of OH to convert diverse nonperfluorinated moieties in PoFAS and their hydroxylated and ketone intermediates into terminal perfluoro(di)carboxylates of varying chain lengths. This study provides the first mechanistic framework linking the PoFAS structure to OH-mediated transformation kinetics and pathways, enabling predictions of environmental persistence, vulnerable oxidation sites, intermediates, and terminal products for novel PoFAS.
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