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Ligand Coordination Directing High-Valent Iron-Oxo Reactivity for Pathway-Selective Pollutant Degradation

化学 反应性(心理学) 配体(生物化学) 羟基化 催化作用 质子化 降级(电信) 污染物 键裂 协调球 光化学 加合物 组合化学 立体化学 配位复合体 反应机理 氧气 双酚A
作者
Xiaorong Yang,Qiongbin Zheng,Longsheng Wu,Jingping Hu,Huijie Hou,Guiying Li,Taicheng An,Jiakuan Yang
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:60 (3): 2728-2741
标识
DOI:10.1021/acs.est.5c10288
摘要

The application of high-valent iron-oxo species for the degradation of organic contaminants is a promising strategy. However, the role of the catalyst’s coordination sphere in regulating the reaction mechanism remains ambiguous. Here, we elucidate this structure–reactivity relationship by deploying three iron porphyrins with strategically varied ligand substitutions to activate H2O2 for bisphenol A (BPA) degradation. We demonstrate that the ligand coordination of the catalyst directs the nature of the generated FeIV-oxo species, the identity of the cogenerated radicals, and the pollutant degradation pathways. Specifically, the β-substituted catalyst exclusively generates the FeIV═O unit with a ligand π-cation radical, transforming BPA to hydroxylation products via an oxygen adduct formation pathway with strong matrix tolerance. Conversely, meso-substituted catalysts generate protonated FeIV–OH species and coexisting oxygen-centered radicals. Meso-carboxyl substitution yields (por)FeIV–OH and HO•, which synergistically induce ring cleavage of BPA through a single-electron-transfer (SET)-initiated attack. Meso-sulfoxyl substitution produces [(por)FeIV–OH]+ and HO2•, which drive quinonization of BPA via a coupled SET and hydrogen-atom-abstraction mechanism. These findings reveal that the coordination environment of the catalyst critically modulates the protonation state and reactivity of the generated high-valent iron-oxo species, thereby steering pollutant degradation toward pathway-selective transformations. This work provides fundamental mechanistic insights into the targeted detoxification of organic compounds.
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