The Mechanism of C–H Bond Oxidation by Aqueous Permanganate

高锰酸盐 化学 水溶液 烷烃 反应机理 碳阳离子 试剂 无机化学 氢化物 动力学同位素效应 反应速率 过渡状态 光化学 有机化学 催化作用 金属 物理 量子力学
作者
Jens Blotevogel,Anthony K. Rappé,Arthur N. Mayeno,Tom Sale,Thomas Borch
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:52 (17): 9845-9850 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acs.est.8b03157
摘要

The permanganate ion (MnO4–) has been widely used as a reagent for water treatment for over a century. It is a strong enough oxidant to activate carbon–hydrogen bonds, one of the most important reactions in biological and chemical systems. Our current textbook understanding of the oxidation mechanism in aqueous solution involves an initial, rate-limiting hydride abstraction by permanganate followed by reaction of the carbocation with bulk water to form an alcohol. This mechanism fits well into the classic oxidation sequence of alkane → alcohol → aldehyde → carboxylate, the central paradigm for both abiotic and biotic alkane oxidation in aqueous environments. In this study, we provide three lines of evidence through (1) a broken-symmetry density functional theory approach, (2) isotope labeling experiments, and (3) kinetic network modeling to demonstrate that aqueous permanganate can circumvent prior alcohol formation and produce aldehydes directly via a reaction path that bifurcates after the initial transition state. In contrast to classic transition state theory, the rate-limiting step is found to not determine product distribution, bearing critical implications for pathway and rate predictions. This complex reaction network provides new insights into the oxidation mechanisms of organic compounds involving transition metal complexes as well as enzyme or metal oxide surface active sites.
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