Experimental insights and modeling innovations: Deciphering Fe(VI) oxidation in imidazole ionic liquids through QSAR and RFR

离子液体 数量结构-活动关系 咪唑 离子键合 化学 环境化学 化学工程 有机化学 立体化学 工程类 催化作用 离子
作者
Bei‐Bei Li,Ruijuan Qu,Ting Wang,Ruixue Guo,Jie Tian,Shuyi Li,Mostafa R. Abukhadra,Rehab Mahmoud,Zunyao Wang
出处
期刊:Journal of Hazardous Materials [Elsevier BV]
卷期号:476: 134980-134980
标识
DOI:10.1016/j.jhazmat.2024.134980
摘要

In this investigation, we conducted a detailed analysis of the oxidation of 16 imidazole ionic liquid variants by Fe(VI) under uniform experimental setups, thereby securing a dataset of second-order reaction rate constants (kobs). This methodology ensures superior data consistency and comparability over traditional methods that amalgamate disparate data from varied studies. Utilizing 16 chemical structural parameters obtained via Density Functional Theory (DFT) as descriptors, we developed a Quantitative Structure Activity Relationship (QSAR) model. Through rigorous correlation analysis, Principal Component Analysis (PCA), Multiple Linear Regression (MLR), and Applicability Domain (AD) evaluation, we identified a pronounced negative correlation between the molecular orbital gap energy (Egap) and kobs. MLR analysis further underscored Egap as a pivotal predictive variable, with its lower values indicating heightened oxidative reactivity towards Fe(VI) in the ionic liquids, leading the QSAR model to achieve a predictive accuracy of 0.95. Furthermore, we integrated an advanced machine learning approach - Random Forest Regression (RFR), which adeptly highlighted the critical factors influencing the oxidation efficiency of imidazole ionic liquids by Fe(VI) through elaborate decision trees, feature importance assessment, Recursive Feature Elimination (RFE), and cross-validation strategies. The RFR model demonstrated a remarkable predictive performance of 0.98. Both QSAR and RFR models pinpointed Egap as a key descriptor significantly affecting oxidation efficiency, with the RFR model presenting lower root mean square errors, establishing it as a more reliable predictive tool. The application of the RFR model in this study significantly improved the model's stability and the intuitive display of key influencing factors, introducing promising advanced analytical tools to the field of environmental chemistry.

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