电离势(IP)究竟是个什么东西?该怎么得到化合物IP值呢?

文摘   2024-07-31 09:00   北京  




最近环境领域挺火的电离势(ionization potential,IP)究竟是个什么东西?有什么用以及该如何确定化合物的电离势呢?
近期,留意到不少文献(包括EST/WR/PNAS/JHM等)都开始提及 电离势(ionization potential,IP)这个概念,并用了介绍他们研究的体系中污染物降解规律。我就好奇查了一些文献,以一些影响因子比较高或者权威的期刊的文献作为参考。
以下讨论仅为个人建议,若有不当之处敬请指正!


先总结

参考IP值要别埋头照搬,请理解后再引用或计算,不然后患无穷

 

电离电势(IP)被认为是评估系统氧化还原能力的重要指标。通常,具有吸电子基团(-COOH 和 -NO )的有机化合物IP值高,易被自由基氧化,而具有供电子基团(-OH和-NH2等)具有较低IP的物种可以被非自由基物种去除。所以IP值常被用于解释化合物的易氧化程度和探讨自由基与非自由基的选择性降解等事项。      

 

概念:

电离势(Ionization Potential)在目前的这些文献研究中通常指第一电离势,是处于气态的中性原子或分子失去一个电子,变成 +1 价离子时的能量变化(也称为电离能),定义为:

IP = E(N-1) - E(N)

其中IP为电离势,E(N-1)为+1价离子基态时的电子能,E(N)为中性原子或分子基态时的电子能,N为体系总电子数。

电离势有两种(如图所示):垂直电离势(Vertical Ionization Potential, VIP)和绝热电离势(Adiabatic Ionization Potential, AIP)。垂直电离势是指只优化N电子体系的分子构型,然后使用这个构型计算N和N-1电子体系的能量,再相减求得电离势。而绝热电离势是指分别优化N和N-1电子体系的分子构型并求得能量,然后相减求得电离势。    


水处理研究的文献中化合物IP值通常呈现以下三种情形:

我将几篇代表性的文献以A、B、C依次命名,命名顺序是以发表时间排序的。

第一种:未标明怎么获得的。A、D文献没说研究中化合物的IP值怎么获得的

第二种:参考自别人文献的。B文献IP数据来源自G,G文献IP数据来源自H,H文献IP数据来自某化学参考手册

第三种:自己计算获得的。E、F自己通过DFT理论计算的

         

 

   

按理来说,化合物的IP值作为化合物的固有属性,不同文献不管是怎么获得的IP值,在水相的值应该是一样或相近的吧?

结果A/B/C/D/G/H文献是一套数值,E、F又是另一套数值。比如苯甲酸的IP值,A/B/C/D/G/H文献是9.3 eV,E、F文献是7.14 eV。

         

 

那么问题来了,怎么会差这么多?

我就扒到底,看看是哪的问题。一细查,哦吼,找到了根源所在了。A/B/C/D/G/H文献应该都是直接搬照化学手册上的数据,而忽略了一个问题,化学手册上都是该化合物固体或者气态情况下的数据。那么大的“Gas-Phase”直接被忽略了…

这么一忽略,但文献的研究体系又都是水相体系,IP值肯定和气相条件得到的值不一样。

E、F文献则是直接用DFT at b3lyp/6-311+G(3df,2p) level with SMD model来计算得到对应化合物的IP值。

         

 

我还去搜了下DFT计算电离势相关内容,在相关社区讨论和教程中都是提及到需要加入溶剂模型进行计算的,不加溶剂模型计算得出的数据肯定是不对的。

         

 

         

 

这种搬错数据的“有趣”现象,真的算是给自己的论文埋坑…    

建议后续有想把IP纳入到自己研究中的朋友,特别要注意这点,别用错了数据。

         

 

以下是参考的部分文献的结论:         

 

【A】PNAS 2024 Vol. 121 No. 29 e2403766121 

(没有提及IP值怎么得出的,猜测参考化学手册)

在最佳反应条件下,研究了M-N-C吸附剂对10种有机污染物的吸附性能,IP值范围为6.8-10。这些污染物包括罗丹明B(RhB)、双酚(BPA)、苯酚(PN)、苯胺(AN)、喹啉、磺胺甲噁唑(SMX)、对氯苯酚(4-CP)、硝基苯(NB)、苯甲酸(BA)和对硝基苯酚(4-NP),每种污染物都有各自的分子式和IP值,如图2A所示。

         

 

【B】Journal of Hazardous Materials 461 (2024) 132607

(IP值参考Environ. Sci. Technol. 2019, 53, 1, 307–315)

电离电位(IP)被认为是评估系统氧化还原容量的重要指标。具有吸电子基团(-COOH 和 -NO )的有机化合物2等)IP值高,易被自由基氧化,而具有供电子基团(-OH和-NH2等)具有较低IP的物种可以被非自由基物种去除。如图所示,在IP值约为9.0时,可能存在一个模糊的阈值。高于阈值的有机物,如BA、NB和IBF,几乎不能被氧化,而IP值较低的有机物则容易被去除。这进一步表明,该系统遵循了一种非激进的机制。    

         

 

【C】Journal of Hazardous Materials 465 (2024) 133425

(IP值参考ACS EST Engg. 2023, 3, 1, 64–72)

在 CuO/PMS 体系中生成的各种反应物具有特定的顺序,其中表面 Cu(II)-OOSO3- 的分解导致表面 Cu(III) 物种的形成,而 Cu(III) 物种是随后生成 HO- 的原因。这些活性物种的反应性及其生成顺序解释了电离电位(IP)值不同的污染物的不同氧化行为。此外,在 PMS 活化过程中可能会产生单线态氧 (1O2),而单线态氧在底物氧化过程中的参与被认为是可以忽略不计的。这项研究提出了一个新的视角,加深了我们对过渡金属介导的 PMS 活化过程机理的理解。    

         

 

【D】PNAS 2023 Vol. 120 No. 29 e2305933120 

(没有提及IP值怎么得出的,猜测参考化学手册)

根据图4中不同模式污染物的IP分布,SAMCC0.5与Co–N–C相比,低IP污染物的降解效果差异不大,从苯酚(IP = 8.49 eV)开始,Mo位点对污染物的共催化作用显著提高。先前的研究表明,高价钴系统由于其相对弱的氧化电位,对低 IP 污染物的降解效率有所提高 。因此,对于低IP污染物,Co-N–C体系可以有效地自行降解这些污染物,且该体系中Mo位点的电子供给效应并不明显。

   

         

 

         

 

【E】ACS EST Engg. 2023, 3, 1, 64–72 

(IP值自己提供DFT计算的,且采用了SMD模型)

电离电位(IP)是一种典型的分子描述符,常用来表示 OC 的亲电性和亲核性。带有电子吸收基团的 OC 通常具有较高的 IP 值,而含有电子奉献基团的 OC 则呈现出相反的趋势。根据图 4 中显示的结果,可以推测-OH 更喜欢氧化 IP 值较高的 OC,而高价铁物种则愿意与 IP 值较低的 OC 发生反应。然而,IP 并不是影响 OC 反应性的唯一指标,它还取决于活性物种的稳态浓度。这一结论与图 4b 一致,图 4b 表明-OH 仍能有效降解高 IP 值的 OC,而高价物种在去除其他 OC 时占主导地位,因为在 pH 值为 4.5 时形成的-OH 较少。此外,PMSO 具有较高的 IP 值,而它可以被 -OH 和高价铁物种氧化,这意味着在 pH 值为 3.0 的 FeVI 氧化过程中,高价铁物种的稳态浓度可能高于 -OH。总之,在 FeVI 系统中,-OH 和高价铁共同促进了 OC 的降解,它们的贡献取决于目标 OC 的 IP 值和反应物的稳态浓度。图 4 还显示,OCs 的供电子能力与 FeVI 对其的去除率之间的关系并不密切,这可能是由于 FeVI 系统中的反应物种类复杂,且其氧化各种 OCs 的活性与物种有关。    

         

 

         

 

【F】Water Research 201 (2021) 117313 

(IP值自己提供DFT计算的,且采用了SMD模型)

为了揭示Co(IV)的底物特异性,评估了电离电位(IP)值与有机物降解速率常数的关系。通常,富电子基团(例如酰胺基和羟基)可以降低化合物的IP,而电子吸收基团(例如硝基和羧基)则呈不利趋势。如图所示图5b,发现在~6.0 eV处可能存在一个IP阈值,这与Co(IV)与污染物反应的氧化能力有关。由于Co(IV)的氧化还原电位相对较弱,IP值高于阈值的BA、ATZ和IBP在Co(II)/PAA过程中几乎没有被氧化。

   

         

 

         

 

【G】Environ. Sci. Technol. 2019, 53, 1, 307–315

(IP值参考Environ. Sci. Technol. 2017, 51, 19, 11288–11296)

有机化合物的电离电位(IP)被用作估计氧化系统氧化还原能力的指标。在电子调解机制中,IP 值超过 9.0 eV(阈值)的有机化合物无法在 N 石墨烯/PMS 系统中被氧化,原因是表面封闭的可迁移非自由基 ROS 的氧化还原电位相对温和。在这项研究中,IP 值高于阈值的 BA 和 NB 几乎没有被分解(图 2b),而 IP 值较低的有机物(PN、BPA 和 HBA)则很容易以较高的反应速率被降解(SI 表 S1、图 2b 和 SI 图 S7)。这表明氧化系统可能并不依赖自由基,而是非自由基物种。最近的一些研究发现,单线态氧(1O2)可在非光催化 AOPs 中产生,而这种非自由基途径对富含电子的酚类化合物也有很高的选择性。因此,β-MnO2/PDS 系统中可能需要考虑 1O2 的存在。    

         

 

         

 

【H】Environ. Sci. Technol. 2017, 51, 19, 11288–11296

(参考自化学手册CRC handbook of chemistry and physics)

通常,有机物的物理化学性质和取代基可能会强烈影响它们在氧化过程中的反应性。在各种分子描述符中,发现电离电位(IP)与几种氧化系统的反应速率密切相关。此外,供电子基团(如羟基和酰胺基)可以降低有机物的IP,而吸电子基团(如羧基和硝基)则具有相反的效果。图4d(pH 2.8)和图S18 (pH 7)绘制了CPPy-F-8/PMS系统中芳香族化合物的IP值与降解速率常数之间的关系。在大约 9.0 eV 处有一个可能的 IP 阈值,对应于状态 I 与有机物反应的氧化能力。那些IP值高于阈值的有机底物(表S3)不能作为电子供体,并被状态I氧化(方案1)。    

   

         

 

这两篇综述也涉及到了IP值的讨论

Environ. Sci. Technol. 2023, 57, 33, 12153–12179

Environ. Sci. Technol. 2024, 58, 24, 10415–10444

         

 

   

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END


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