Perceptions on the treatment of apparent isotope effects during the analyses of reaction rate and mechanism

文献情報

出版日 2022-05-24
DOI 10.1039/D2CP00825D
インパクトファクター 3.676
著者

Xi-Yang Yu


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要旨

Isotope substitution, a fascinating tool of physical chemistry, has been broadly applied in the research field of heterogeneous catalysis. In general, due to the differences in the mass-related atomic vibrational frequencies and zero-point energy of isotopic molecules, the apparent isotope effect (AIE) or observed kinetic isotope effect (observed KIE) from isotope substitution examination could provide unique knowledge regarding the reaction rate and mechanism of a catalytic reaction, such as the rate-determining step, key reaction intermediate, or catalyst design and synthesis. However, the treatment of the AIE is not as straightforward as the isotopic switch experiment, and needs sufficient care and comprehensive identification to deal with the influences from the equilibrium isotope effects (EIEs) of quasi-equilibrium elementary steps, kinetic isotope effect (KIE) of the pseudo rate-determining step, transition states, intrinsic reaction barriers, etc. Fundamentally, the key factors affecting the AIE could be the partition function part and the zero-point energy part of each single elementary step. Theoretically, the classification of the KIE could be based on the quantity of KIE (including normal KIE and inverse KIE) or the molecular transformation (including primary KIE, secondary KIE, tunneling KIE, and solvent KIE) involved. This article presents a recap of the fundamental concepts and relations of KIE, EIE and AIE, and a concise review on the selected applications of isotope effects throughout heterogeneous catalysis. Lastly, the meaningful perspectives regarding the critical factors that impact the AIE and the appropriate treatment of the AIE are discussed meticulously.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
CiteScore: 5.5
自己引用率: 10.3%
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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