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Solvation and Hydrolysis Reaction of Isocyanic Acid at the Air–Water Interface: A Computational Study

异氰酸 化学 溶剂化 光化学 分子动力学 化学物理 光解 吸附 计算化学 分子 物理化学 有机化学
作者
Jie Zhong,Liwen Li,Manoj Kumar,Xiao Cheng Zeng,Muhan Wang,Joseph S. Francisco
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (12): 5315-5322 被引量:7
标识
DOI:10.1021/jacs.1c10703
摘要

Isocyanic acid (HNCO) is known to be inert to strong oxidants and photolysis in the atmosphere but often appears in different forms of smoke; therefore, it is linked to various smoke-related illnesses due to tobacco usage or wildfire events. To date, the major loss pathway of HNCO is believed to be through its uptake on aerosol droplets. However, the molecular mechanisms underlying such an uptake process are still incompletely understood. Herein, we use the Born-Oppenheimer molecular dynamics (BOMD) simulations to study solvation and hydrolysis reactions of HNCO on water droplets at ambient temperature. The BOMD simulations indicate that the scavenging of HNCO by water droplets is largely attributed to the preferential adsorption of HNCO at the air-water interface, rather than inside bulk water. Specifically, the H atom of HNCO interacts with the O atom of interfacial water, leading to the formation of a hydrogen bond (H-bond) of (HNCO)H···O(H2O), which prevents HNCO from evaporating. Moreover, the interfacial water can act as H-bond acceptors/donors to promote the proton transfer during the HNCO hydrolysis reaction. Compared to the gas phase, the activation barrier is lowered from 45 to 14 kcal·mol-1 on the water surface, which facilitates the formation of the key intermediate of NH2COOH. This intermediate eventually decomposes into NH3 and CO2, consistent with the previous study [ Atmos. Chem. Phys. 2016, 16, 703-714]. The new molecular insight into HNCO solvation and reaction on the water surface improves our understanding of the uptake of HNCO on aerosols.
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