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Reduction of Np(vi) with hydrazinopropionitrileviawater-mediated proton transfer

化学 电子转移 质子 联氨(抗抑郁剂) 氧化还原 价(化学) 质子耦合电子转移 分子 离子 计算化学 光化学 无机化学 有机化学 物理 色谱法 量子力学
作者
Xiao‐Bo Li,Qun‐Yan Wu,Cong‐Zhi Wang,Jian‐Hui Lan,Meng Zhang,John K. Gibson,Zhifang Chai,Wei‐Qun Shi
出处
期刊:Physical Chemistry Chemical Physics [The Royal Society of Chemistry]
卷期号:24 (29): 17782-17791 被引量:5
标识
DOI:10.1039/d2cp01730j
摘要

Effectively adjusting and controlling the valence state of neptunium (Np) is essential in its separation during spent fuel reprocessing. Hydrazine and its derivatives as free-salts can selectively reduce Np(VI) to Np(V). Reduction mechanisms of Np(VI) with hydrazine and four derivatives have been explored using multiple theoretical methods in our previous works. Herein, we examine the reduction mechanism of Np(VI) with hydrazinopropionitrile (NCCH2N2H3) which exhibits faster kinetics than most other hydrazine derivatives probably due to its σ-π hyperconjugation effect. Free radical ion pathways I, II and III involving the three types of hydrazine H atoms were found that correspond to the experimentally established mechanism of reduction of two Np(VI) via initial oxidation to [NCCH2N2H3]+˙, followed by conversion to NCCH2N2H (+2H3O+) and ultimately to CH3CN + N2. Potential energy profiles suggest that the second redox stage is rate-determining for all three pathways. Pathway I with water-mediated proton transfer is energetically preferred for hydrazinopropionitrile. Analyses using the approaches of localized molecular orbitals (LMOs), quantum theory of atoms in molecules (QTAIM), and intrinsic reaction coordinate (IRC) elucidate the bonding evolution for the structures on the reaction pathways. The results of the spin density reveal that the reduction of the first Np(VI) ion is the outer-sphere electron transfer, while that of the second Np(VI) ion is the hydrogen transfer. This work offers new insights into the nature of reduction of Np(VI) by hydrazinopropionitrile via water-mediated proton transfer, and provides a basis for designing free-salt reductants for Np separations.
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