Teoretyczne badania degradacji kationów izoindoliniowych w warunkach alkalicznych

Alkaliczne membrany anionowymienne (AAEM) odgrywają kluczową rolę w rozwoju wydajnych i opłacalnych alkalicznych ogniw paliwowych z elektrolitem polimerowym (APEFC), które mogą stanowić konkurencję dla tradycyjnych ogniw wodorowych z membraną do wymiany protonów. Membrany te zawierają czwartorzędowe grupy amoniowe przyłączone do łańcuchów polimerowych, co umożliwia przewodnictwo anionowe oraz zastosowanie alternatywnych katalizatorów opartych na powszechnie dostępnych metalach zamiast rzadkich i kosztownych metali z grupy platynowców. Wydajność i trwałość AAEM w dużej mierze zależą od stabilności kationowych grup funkcyjnych w środowisku zasadowym. W warunkach wysokiego pH są one podatne na atak nukleofilowy ze strony jonów hydroksylowych, co prowadzi do ich stopniowej degradacji.W niniejszej pracy została przebadana seria kationów izoindoliniowych z różnymi podstawnikami na pierścieniu aromatycznym, obejmującą układy, dla których dostępne są eksperymentalne stałe szybkości degradacji. Naszym celem jest precyzyjne przewidzenie stałych szybkości rozkładu oraz zbadanie wyjątkowej stabilności nowatorskiego kationu. W celu predykcji zarówno trendu, jak i proporcji zmian stałych szybkości pomiędzy analizowanymi układami, stosujemy podejście oparte na efektywnej stałej szybkości. Metoda ta pozwala uwzględnić wiele czynników, takich jak różnorodne ścieżki reakcji, wielość reaktywnych grup, złożoność konformacyjną układów oraz rozległy zbiór możliwych struktur niereaktywnych.

Alkaline Anion Exchange Membranes (AAEMs) are key components in the development of efficient and cost-effective alkaline polymer electrolyte fuel cells (APEFCs), which could rival traditional proton-exchange membrane fuel cells. These membranes incorporate quaternary ammonium cationic head groups bound to polymer backbones, enabling anion conductivity and supporting the use of alternative non-precious metal catalysts in place of rare and expensive platinum group metals. The performance and longevity of AAEMs depend heavily on the stability of cationic head groups in alkaline conditions. In a high-pH environment, they become susceptible to nucleophilic attack by hydroxide ions, leading to consequent degradation. In this study, we explore a series of isoindolinium cations with varying substitutions on the aromatic ring, including the systems for which experimental degradation rate constants are available. Our objective is to accurately predict decomposition rate constants and investigate the exceptional stability of the novel isoindolinium cation. To predict both the trend as well as the magnitude of the rate constant variations in studied systems, we employ an effective rate constant approach. This method allows for many contributions to be accounted for, such as multiple reaction pathways, sites, a vast number of conformations, and an array of possible non-reactive structures.