Solvent effects on the decarboxylation of trichloroacetic acid: insights from ab initio molecular dynamics simulations

文献情報

出版日 2018-08-03
DOI 10.1039/C8CP02455C
インパクトファクター 3.676
著者

Guilherme C. Q. da Silva, Thiago M. Cardozo, Giovanni W. Amarante, Charlles R. A. Abreu, Bruno A. C. Horta


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要旨

The kinetics of trichloroacetic acid (TCA) decarboxylation strongly depends on the solvent in which it occurs, proceeding faster in polar aprotic solvents compared to protic solvents. In particular, the reaction is known to be fast in DMSO even at room temperature and is rather slow in water even at higher temperatures. In order to understand the role of the solvent in the kinetics of TCA decarboxylation, the present study investigates this reaction using both ab initio molecular dynamics (AIMD) simulations in explicit solvents and static electronic structure calculations with the SMD polarizable continuum model, considering DMSO and water as solvents. Both methodologies yield activation free energies in good agreement with experimental data, however they differ with respect to the reaction profile for the process occurring in water. The simulations suggest that DMSO does not participate chemically in the reaction and that the high reaction rate in DMSO can be explained by differential solvation of the reactant and transition state. In water, a protonation step was observed along the simulation trajectory, indicating chemical participation of the solvent in this case. Moreover, the continuum model has shown to be useful to predict the reaction rates in other solvents, suggesting that reaction rates increase upon decreasing solvent polarity up to the point where the apolar solvents are not able to efficiently screen the strong electrostatic interactions to form the required isolated ionic species.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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