Neutralização de agrotóxicos organofosforados e análogos com derivados de imidazol : elucidação mecanística em prol da segurança química

Abstract

Resumo: A compreensão da reatividade dos compostos organo(tio)fosforados é uma temática de grande interesse da comunidade cientifica, devido ao uso dessas substâncias em pesticidas e armas químicas. Nesse sentido determinar os caminhos de reação nos quais um composto altamente tóxico, pode ser transformado em um composto não tóxico é ferramenta fundamental em termos de segurança química. A clivagem desses compostos em reações de hidrólise alcalina e mediadas por organocatalisadores, tal como os derivados de imidazol, tem se mostrado eficiente para a detoxificação química. O objetivo desse trabalho foi promover reações de neutralização amparada pela elucidação mecanística correlacionando reatividade e efeito da estrutura do organo(tio)fosforado e derivado de imidazol. Dessa forma foram sintetizados 8 dialquil aril (tio)fosfatos, derivados do Paraoxon (EPO) e Paration (EPT), 4 deles da classe dos tiofosforados (P=S) e 4 dos organofosforados (P=O). Em conjunto com dados disponíveis na literatura, foi possível ampliar as relações de Brønsted disponíveis para reações de hidrólise alcalina, avaliando efeitos do grupo abandonador e grupo espectador, simultaneamente. Foi evidenciado que esses efeitos são independentes e aditivos, sendo proposta uma equação inédita que permite prever a reatividade de novos compostos, poupando experimentos e auxiliando na determinação de mecanismos de reação. Nas reações com imidazol (IMZ) observou-se que mudanças sutis nos grupos alifáticos e no heteroatomo (P=S / P=O) do organofosforado alteram a reatividade. Quando contém P=O e etila, o ataque do IMZ ao centro de fósforo é favorecido, que leva aos produtos menos tóxicos (neutralização mais desejável). Já com P=S e metila, o ataque do imidazol ocorre majoritariamente no carbono alifático, podendo ser uma estratégia para a síntese de imidazol N-alquilados. Três derivados de IMZ com grupamentos ácido carboxílico foram sintetizados e avaliados como neutralizantes, mas não foram observados efeitos cooperativos do grupo ácido, sendo a basicidade desses derivados o fator preponderante para a reatividade. Para as reações nucleofílicas de neutralização foi possível correlacionar os grupos abandonadores do organofosforado bem como a natureza do nucleófilo simultaneamente, que confirmam o efeito independente e aditivo deles, além de permitir prever novas reações, idealizando processos otimizados. Além dos resultados descritos acima, para três organofosforados derivados do EPO (P=O) foram combinados os efeitos da catálise do imidazol utilizando condições de alta pressão (entre 12 e 16 kbar). Foi possível determinar condições experimentais nos quais eles podem ser totalmente convertidos em produtos não tóxicos em 24h de reação. As condições de alta pressão se mostraram muito eficientes como ferramenta para o aumento da velocidade de detoxificação de organofosforados, quando comparadas as condições de pressão ambiente. Os efeitos de grupos abandonadores e espectadores também puderam ser avaliados, observando-se a influência deles na reatividade no direcionamento da reação para o átomo de fósforo e ao carbono alifático. Esse trabalho mostra de maneira geral como a compreensão da reatividade é peça chave para a detoxificação química, que depende das velocidades de reação e dos caminhos reacionais.

Abstract: The scientific community has a great interest in the comprehension of organo(thio)phosphates reactivity, mainly related to their use as pesticides and chemical warfare agents. In this sense, it is fundamental to determine the reaction pathways that highly toxic compounds could be converted into non-toxic ones. Organophosphorus cleavage in alkaline hydrolysis reactions and mediated by organocatalysts such as imidazole derivatives have been efficient for detoxification purposes. This work aims to promote neutralization reactions evaluating structure-reactivity effects in organophosphorus compounds and imidazole derivatives. Thus, eight dialkyl aryl (thio)phosphates related to the pesticides paraoxon and parathion were synthesized. Together with data available in the literature, the Brønsted relation for alkaline hydrolysis was expanded, evaluating the non-leaving groups and leaving groups in the same plot. It was determined that these effects are independent and additives. Therefore, a new equation was proposed to predict the reactivity of organophosphorus in alkaline hydrolysis. This approach can be used to prevent the necessity of doing experiments and helping in mechanistic elucidation. In the reactions with imidazole, the mechanisms can change with minor changes in the aliphatic, aromatic groups and heteroatom (P=S/P=O) moieties. For organophosphates with P=O and ethyl as the aliphatic substituent, the attack at phosphorus by imidazole was favored, leading to less toxic products (desired pathway). On the other hand, for organophosphates with (P=S) and methyl as an aliphatic group, attack on the aliphatic carbon is favored. This could be used as a strategy to obtain N-alkyl imidazoles. Three imidazole derivatives bearing carboxylic acid groups were synthesized and evaluated as detoxifying agents. However, cooperative catalytic effects were not observed, hence the basicity rules the reactivity. For the nucleophilic reactions, it was possible to correlate the effect of leaving group and nucleophile simultaneously, which corroborate that they are additive and independent, allowing the prediction of the reactivity and the development of an optimized process. Besides the results obtained in the kinetic study, described above, three organophosphorus compounds, related to Paraoxon (P=O) were investigated under high-pressure conditions (between 12 to 16 kbar) in reactions with imidazole. It was possible to determine the reaction conditions to detoxify them in non-toxic products in 24h of reaction. Compared to ambient pressure conditions, high pressure conditions were highly effective in improving organophosphate detoxification reaction rates, in which the influence of leaving groups and non-leaving groups on the reactivity with the aliphatic and phosphorus atom was observed. In conclusion, this work shows that reactivity comprehension is key for the development of an effective detoxification process, which depends on reaction rates and reaction pathways.