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Type: Tese
Title: Hidrólise de um composto organofosforado tipo-vx pela quimissorção dissociativa na superfície de MgO(001), por cálculos ab initio
Author: Alvim, Raphael da Silva
First Advisor: Leitão, Alexandre Amaral
Co-Advisor: Borges Junior, Itamar
Referee Member: Dias, Luiz Gustavo
Referee Member: Abreu, Heitor Avelino de
Referee Member: Pereira, Maria Luiza R. Duarte
Referee Member: Andrade, Gustavo Fernandes Souza
Resumo: O agente VX, O-etil metillfosfonotioato de S-2-(diisopropilamino)etila, é um dos principais agentes neurotóxicos e a busca por formas de degrada-lo é consideravelmente importante. Neste trabalho, a hidrólise de um composto organofosforado tipo-VX (metilfosfonotioato de O,S-dimetila, DMPT) pela quimissorção dissociativa na superfície de MgO(001) foi estudada pela teoria do funcional da densidade com condições de contorno periódicas. Um mecanismo de degradação que envolve as reações das moléculas de DMPT e de água foi proposto e investigado em dois tipos de modelos de superfície de MgO(001): terraço e dopada com Al. Conformações, diferenças de energia livre, estados de transição e barreiras de reação foram calculados. Inicialmente, foi verificado que apenas a ligação neurotóxica P-S é quebrada na hidrólise do composto DMPT, que pode ocorrer espontaneamente em todo o intervalo de temperatura analisado (100-600 K). Na quimissorção dissociativa da molécula de DMPT, a formação do intermediário MgO:[PO(CH3)(OCH3)]+[SCH3]− é termodinamicamente menos estável que os produtos de hidrólise a partir da temperatura de aproximadamente 335 K para a superfície dopada com Al, que é muito menor que o mesmo processo calculado no terraço (a partir de 500 K). De acordo com a análise de barreira reacional, a possível reconstituição da ligação P-S não ocorre em ambos modelos de superfície de MgO(001) analisados. Contudo, a barreira de energia eletrônica para a reação de dissociação na superfície dopada com Al é cerca de 49,0 kJ/mol menor do que no terraço. Simultaneamente, o processo de formação dos íons H+ e OH- no terraço de MgO(001) é relevante como a etapa inicial de hidroxilação dessa superfície e faz parte do mecanismo de hidrólise catalisada do composto DMPT. A adsorção de uma, duas e três moléculas de água foram obtidas apenas sobre o terraço de MgO(001), pois sabe-se que as moléculas de água são dissociadas espontaneamente em defeitos pontuais. A variação da energia livre de Gibbs para os processos de adsorção e dissociação foi calculada no intervalo de temperatura de 100-600 K. Os resultados termodinâmicos mostraram que a adsorção de uma única molécula de água não conduz à dissociação. Para o dímero e trímero de moléculas de água, uma molécula se dissocia enquanto que as outras moléculas co-adsorvidas estabilizam as espécies iônicas H+ e OH- sobre a superfície. Nos dois casos, os produtos de dissociação na superfície convergiram para a formação de ligações de hidrogênio entre a hidroxila formada e as moléculas de água. Como consequência dessas interações, a superfície protonada coexiste com os íons hidroxila adsorvidos. As barreiras de energia eletrônica não são grandes o suficiente para desfavorecer a dissociação parcial de duas (23,2 kJ/mol) e três (24,9 kJ/mol) moléculas de água, porque elas seriam facilmente superadas. Portanto, a etapa inicial para a hidrólise no terraço de MgO(001) começa a partir de duas moléculas de água, mas o produto dissociado é mais estável quando existem três moléculas de água quimissorvidas. Em relação à migração dos íons H+ e OH- após a dissociação, as barreiras de energia eletrônica calculadas mostraram que esse processo na superfície de MgO(001) é desfavorável. Assim, os processos de dissociação das moléculas de DMPT e H2O na superfície de MgO(001) devem acontecer em regiões próximas para facilitar a etapa seguinte do mecanismo de reação proposto, que é a recombinação iônica de [PO(CH3)(OCH3)]+, [SCH3]-, HO- e H+ para a subsequente formação dos produtos P1 [HOPO(CH3)(OCH3)] e P2 [HSCH3]. Os produtos P1 e P2 não se acumulam sobre a superfície dopada com Al porque estas moléculas são dessorvidas. Portanto, se comparado com a reação de hidrólise do composto de DMPT, 335 K é uma temperatura ideal a fim de se evitar a acumulação dos produtos sobre os defeitos pontuais analisados, com a consequente dessorção espontânea de P1 e P2 e a reconstituição do MgO na etapa final do processo catalítico. No entanto, os sítios do terraço também podem participar do mecanismo de hidrólise catalisada do composto DMPT a partir de 500 K. Neste trabalho, a superfície de MgO(001) atua como um possível catalisador para a degradação do agente VX, mas com uma maior seletividade dos sítios dopados com Al do que os sítios do terraço. Da mesma forma, estes resultados têm uma variedade de importantes aplicações, bem como uma referência para posteriores estudos da reação do composto VX na superfície de MgO(001) com outros tipos de defeitos ou superfícies. Assim, esses resultados contribuem cientificamente para a área de catálise e superfícies de óxidos na desativação química de agentes neurotóxicos, especialmente os agentes tipo-V. Além disso, o presente trabalho permitirá o desenvolvimento de novas tecnologias para a defesa nacional, a fim de permitir a degradação química desses tipos de compostos sem afetar o meio ambiente.
Abstract: The VX agent, O-ethyl S-(2-diisopropylethylamino)ethyl methylphosphonothioate, is one of the main neurotoxic agents, thus the search for ways to degrate it is considerably important. In this work, the hydrolysis of a VX-like organophosphorus compound (O,S-dimethyl methylphosphonothioate, DMPT) by the dissociative chemisorption on the MgO(001) surface was studied by density-functional theory using periodic boundary conditions. A degradation mechanism involving the reactions of the DMPT and water molecules was proposed and investigated on two types of MgO(001) surfaces: terrace and Al-doped. Conformations, free energy differences, transition states e reaction barriers were calculated. Firstly, it was verified that only the P-S neurotoxic bond breaks in the hydrolysis of the DMPT compound, which can occur spontaneously throughout the analyzed temperature range (100-600 K). In the dissociative chemisorption of the DMPT molecule, the formation of intermediate MgO:[PO(CH3) (OCH3)]+[SCH3]− is thermodynamically fewer stable than the hydrolysis products from the temperature of about 335 K for the Al-doped surface, which is less than the same process calculated on the surface without defects (from 500 K). According to a reactional barrier analysis, the possible reconstitution of the P-S bond does not occur on both cases of analyzed MgO(001) surface models. However, the electronic energy barrier for the dissociation reaction on the Al-doped sites is about 49.0 kJ/mol less than the one on the terrace. At the same time, the process of the formation of H+ and OH− ions on the MgO(001) terrace is relevant as the hydroxylation initial step of this surface and it is part of the catalyzed hydrolysis mechanism of the DMPT compound. The adsorption of one, two and three water molecules were only obtained on the MgO(001) terrace because it is known that water molecules are dissociated spontaneously on point defects. The variation of the Gibbs free energy for the adsorption and dissociation processes was calculated in the 100-600 K temperature range. The thermodinamic results showed that the adsorption of a single water molecule does not lead to dissociation. For the dimer and trimer of water molecules, one molecule dissociates while the others co-adsorbed stabilize the H+ and HO− ionic species on the surface. In the two cases, the dissociation products on the surface converged for the formation of hydrogen bonds among the formed hydroxyl and water molecules. As a consequence of these interactions, the protonated surface coexists with the adsorbed hydroxyl ions. The electronic energy barriers are not large enough to forbid the partial dissociation of two (23.2 kJ/mol) and three (24.9 kJ/mol) water molecules because they would be easily surmounted. Therefore, the initial step for the hydrolysis on the MgO terrace starts from two water molecules, but the dissociated product is more stable when there are three water molecules III chemisorbed. Regarding the migration of the H+ and HO− ions after the dissociation, the calculated electronic energy barriers showed that this process on the MgO(001) surface is unfavorable. Thus, the dissociation processes of the DMPT and H2O molecules on the MgO(001) surface should happen in close regions to facilitate the next step of the proposed reaction mechanism, which is the ionic recombination of [PO(CH3)(OCH3)]+, [SCH3]-, HO- and H+ for the subsequent formation of the P1 [HOPO(CH3)(OCH3)] and P2 [HSCH3] products. The products P1 and P2 did not accumulate on the Al-doped surface because these molecules are desorbed from 197 K. Therefore, if compared to the hydrolysis reaction, 335 K is an ideal temperature to avoid the accumulation of the products on the analyzed point defects, with the consequent spontaneous desorption of P1 and P2 and the MgO reconstitution in the final step of the catalytic process. However, the sites of the terrace can also participate of the DMPT catalyzed hydrolysis mechanism from 500 K. In this work, the MgO(001) surface works as a catalyst for the degradation of VX agent, but with higher selectivity of the Al-doped sites than that of the terrace sites. In the same way, these results have an important variety of applications, as well as reference for further studies of the VX compound reaction on the MgO(001) surface with other kinds of defects or other surfaces. Thus, these results scientifically contribute to the area of catalysis and oxide surfaces in the chemical deactivation of neurotoxic agents, especially the V-type agents. Furthermore, this work will enable the development of new technologies for national defense in order to enable the chemical degradation of these types of compounds without affecting the environment.
Keywords: Andrade VX
DFT
MgO(001)
Adsorção
Hidrólise
VX agent
DFT
MgO(001)
Adsorption
Hydrolysis
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Juiz de Fora
Institution Initials: UFJF
Department: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Program: Programa de Pós-graduação em Química
Access Type: Acesso Aberto
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/2320
Issue Date: 22-Feb-2013
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