Water Charge Transfer Accelerates Criegee Intermediate Reaction with H2O– Radical Anion at the Aqueous Interface

化学 离子 水溶液 光化学 电荷(物理) 物理化学 有机化学 量子力学 物理
作者
Qiujiang Liang,Chongqin Zhu,Jun Yang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (18): 10159-10166 被引量:29
标识
DOI:10.1021/jacs.3c00734
摘要

Criegee intermediates (CIs) are important carbonyl oxides that may react with atmospheric trace chemicals and impact the global climate. The CI reaction with water has been widely studied and is a main channel for trapping CIs in the troposphere. Previous experimental and computational reports have largely focused on reaction kinetic processes in various CI–water reactions. The molecular-level origin of CI's interfacial reactivity at the water microdroplet surface (e.g., as found in aerosols and clouds) is unclear. In this study, by employing the quantum mechanical/molecular mechanical (QM/MM) Born–Oppenheimer molecular dynamics with the local second-order Møller–Plesset perturbation theory, our computational results reveal a substantial water charge transfer up to ∼20% per water, which creates the surface H2O+/H2O– radical pairs to enhance the CH2OO and anti-CH3CHOO reactivity with water: the resulting strong CI–H2O– electrostatic attraction at the microdroplet surface facilitates the nucleophilic attack to the CI carbonyl by water, which may counteract the apolar hindrance of the substituent to accelerate the CI–water reaction. Our statistical analysis of the molecular dynamics trajectories further resolves a relatively long-lived bound CI(H2O–) intermediate state at the air/water interface, which has not been observed in gaseous CI reactions. This work provides insights into what may alter the oxidizing power of the troposphere by the next larger CIs than simple CH2OO and implicates a new perspective on the role of interfacial water charge transfer in accelerating molecular reactions at aqueous interfaces.
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