Mechanistic Insight into the Reactivities of Aqueous-Phase Singlet Oxygen with Organic Compounds

单线态氧 化学 反应速率常数 水溶液 光化学 单重态 哈米特方程 双水相体系 反应速率 反应机理 氧气 计算化学 电子转移 动力学 物理化学 有机化学 激发态 催化作用 物理 核物理学 量子力学
作者
Benjamin Barrios,Benjamin Mohrhardt,Paul V. Doskey,Daisuke Minakata
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:55 (12): 8054-8067 被引量:145
标识
DOI:10.1021/acs.est.1c01712
摘要

Singlet oxygen (1O2) is a selective reactive oxygen species that plays a key role for the fate of various organic compounds in the aquatic environment under sunlight irradiation, engineered water oxidation systems, atmospheric water droplets, and biomedical systems. While the initial rate-determining charge-transfer reaction mechanisms and kinetics of 1O2 have been studied extensively, no comprehensive studies have been performed to elucidate the reaction mechanisms with organic compounds that have various functional groups. In this study, we use density functional theory calculations to determine elementary reaction mechanisms with a wide variety of organic compounds. The theoretically calculated aqueous-phase free energies of activation of single electron transfer and 1O2 addition reactions are compared to the experimentally determined rate constants in the literature to determine linear free-energy relationships. The theoretically calculated free energies of activation for the groups of phenolates and phenols show excellent correlations with the Hammett constants that accept electron densities by through-resonance. The dominant elementary reaction mechanism is discussed for each group of compounds. As a practical implication, we demonstrate the fate of environmentally relevant organic compounds induced by photochemically produced intermediate species at different pH and evaluate the impact of predicting rate constants to the half-life.
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