Quantum Chemistry Study of Uranium(VI), Neptunium(V), and Plutonium(IV,VI) Complexes with Preorganized Tetradentate Phenanthrolineamide Ligands

化学 锕系元素 核化学 无机化学 放射化学 冶金 材料科学
作者
Chengliang Xiao,Qun‐Yan Wu,Cong‐Zhi Wang,Yu-Liang Zhao,Zhifang Chai,Wei‐Qun Shi
出处
期刊:Inorganic Chemistry [American Chemical Society]
卷期号:53 (20): 10846-10853 被引量:69
标识
DOI:10.1021/ic500816z
摘要

The preorganized tetradentate 2,9-diamido-1,10-phenanthroline ligand with hard–soft donors combined in the same molecule has been found to possess high selectivity toward actinides in an acidic aqueous solution. In this work, density functional theory (DFT) coupled with the quasi-relativistic small-core pseudopotential method was used to investigate the structures, bonding nature, and thermodynamic behavior of uranium(VI), neptunium(V), and plutonium(IV,VI) with phenanthrolineamides. Theoretical optimization shows that Et-Tol-DAPhen and Et-Et-DAPhen ligands are both coordinated with actinides in a tetradentate chelating mode through two N donors of the phenanthroline moiety and two O donors of the amide moieties. It is found that [AnO2L(NO3)]n+ (An = UVI, NpV, PuVI; n = 0, 1) and PuL(NO3)4 are the main 1:1 complexes. With respect to 1:2 complexes, the reaction [Pu(H2O)9]4+(aq) + 2L(org) + 2NO3–(aq) → [PuL2(NO3)2]2+(org) + 9H2O(aq) might be another probable extraction mechanism for PuIV. From the viewpoint of energy, the phenanthrolineamides extract actinides in the order of PuIV > UVI > PuVI > NpV, which agrees well with the experimental results. Additionally, all of the thermodynamic reactions are more energetically favorable for the Et-Tol-DAPhen ligand than the Et-Et-DAPhen ligand, indicating that substitution of one ethyl group with one tolyl group can enhance the complexation abilities toward actinide cations (anomalous aryl strengthening).
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