Reactions of CO2 with Aqueous Piperazine Solutions: Formation and Decomposition of Mono- and Dicarbamic Acids/Carbamates of Piperazine at 25.0 °C

哌嗪 化学 质子化 反应速率常数 反应性(心理学) 平衡常数 水溶液 动能 动力学 物理化学 药物化学 有机化学 物理 病理 离子 医学 替代医学 量子力学
作者
William Conway,Debra Fernandes,Yaser Beyad,Robert C. Burns,Geoffrey A. Lawrance,Graeme Puxty,Marcel Maeder
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry A [American Chemical Society]
卷期号:117 (5): 806-813 被引量:57
标识
DOI:10.1021/jp310560b
摘要

Piperazine (PZ) is widely recognized as a promising solvent for postcombustion capture (PCC) of carbon dioxide (CO2). In view of the highly conflicting data describing the kinetic reactions of CO2(aq) in piperazine solutions, the present study focuses on the identification of the chemical mechanism, specifically the kinetic pathways for CO2(aq) in piperazine solutions that form the mono- and dicarbamates, using the analysis of stopped-flow spectrophotometric kinetic measurements and 1H NMR spectroscopic data at 25.0 °C. The complete set of rate and equilibrium constants for the kinetic pathways, including estimations for the protonation constants of the suite of piperazine carbamates/carbamic acids, is reported here using an extended kinetic model which incorporates all possible reactions for CO2(aq) in piperazine solutions. From the kinetic data determined in the present study, the reaction of CO2(aq) with free PZ was found to be the dominant reactive pathway. The superior reactivity of piperazine is confirmed in the kinetic rate constant determined for the formation of piperazine monocarbamic acid (k7 = 2.43(3) × 104 M–1 s–1), which is within the wide range of published values, making it one of the faster reacting amines. The corresponding equilibrium constant for the formation of the monocarbamic acid, K7, markedly exceeds that of other monoamines. Kinetic and equilibrium constants for the remaining pathways indicate a minor contribution to the overall kinetics at high pH; however, these pathways may become more significant at higher CO2 loadings and lower pH values where the concentrations of the reactive species are correspondingly higher.
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