Peroxide Directing the Iron Cycling for Tailored Generation of Active Oxidants in Aqueous Fenton Reactions

均分解 水溶液 过氧乙酸 化学 激进的 过氧化物 过氧化氢 选择性 自动氧化 光化学 催化作用 无机化学 有机化学
作者
Jie Li,Linlin Yang,Yaodan Cui,Zhichao Yang,Guixiang Zeng,Bingcai Pan
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:59 (6): 3316-3324 被引量:17
标识
DOI:10.1021/acs.est.4c12341
摘要

The diverse electron transfer between iron and peroxides endows Fenton and related reactions with versatility in generating multiple active oxidants, underpinning their important contribution to environmental remediation. The type of active oxidant generated can be tailored by the structure of peroxides, yet the underlying mechanism remains to be uncovered. Herein, taking the reaction of Fe(III)-picolinate (FeIII-PICA) with peroxides as an examplary case, we provide a detailed structure-activity analysis to clarify this issue. Experimental results show that the reaction of FeIII-PICA with H2O2, tert-butyl hydroperoxide, and isopropyl hydroperoxide initiates the Haber-Weiss cycle to generate radicals exclusively, whereas the reaction with peroxymonosulfate, peracetic acid, and m-chloroperoxybenzoic acid generates Fe(IV). Theoretical calculations reveal that the peroxide-dependent generation of active oxidants is attributed to the selectivity in the lysis of the PICA-FeIII-OOR intermediate, which serves as a rate-limiting step in Fenton reactions. The inductive effect of R dynamically modulates the strength of Fe-O/O-O bonding and the stability of cleavage products to favor Fe-O homolysis of PICA-FeIII-OOR toward Fe(III)/Fe(II) cycling. Conversely, the coordination of R to Fe(III) stabilizes transition states to favor O-O homolysis for Fe(III)/Fe(IV) cycling. These findings are believed to shed new light on the pathway selectivity of iron cycling in aqueous Fenton reactions.
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