Quantitative structure–activity relationship for the oxidation of aromatic organic contaminants in water by TAML/H2O2

化学 过氧化氢 辣根过氧化物酶 酚类 数量结构-活动关系 电子转移 反应速率常数 光化学 无机化学 有机化学 动力学 立体化学 量子力学 物理
作者
Hanrui Su,Chunyang Yu,Yongfeng Zhou,Lidong Gong,Qilin Li,Pedro J. J. Alvarez,Mingce Long
出处
期刊:Water Research [Elsevier]
卷期号:140: 354-363 被引量:75
标识
DOI:10.1016/j.watres.2018.04.062
摘要

Tetra-amido macrocyclic ligand (TAML) activator is a functional analog of peroxidase enzymes, which activates hydrogen peroxide (H2O2) to form high valence iron-oxo complexes that selectively degrade persistent aromatic organic contaminants (ACs) in water. Here, we develop quantitative structure–activity relationship (QSAR) models based on measured pseudo first-order kinetic rate coefficients (kobs) of 29 ACs (e.g., phenols and pharmaceuticals) oxidized by TAML/H2O2 at neutral and basic pH values to gain mechanistic insight on the selectivity and pH dependence of TAML/H2O2 systems. These QSAR models infer that electron donating ability (EHOMO) is the most important AC characteristic for TAML/H2O2 oxidation, pointing to a rate-limiting single-electron transfer (SET) mechanism. Oxidation rates at pH 7 also depend on AC reactive indices such as fmin− and qH+, which respectively represent propensity for electrophilic attack and the most positive net atomic charge on hydrogen atoms. At pH 10, TAML/H2O2 is more reactive towards ACs with a lower hydrogen to carbon atoms ratio (#H:C), suggesting the significance of hydrogen atom abstraction. In addition, lnkobs of 14 monosubstituted phenols is negatively correlated with Hammett constants (σ) and exhibits similar sensitivity to substituent effects as horseradish peroxidase. Although accurately predicting degradation rates of specific ACs in complex wastewater matrices could be difficult, these QSAR models are statistically robust and help predict both relative degradability and reaction mechanism for TAML/H2O2-based treatment processes.
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