Neutralização nucleofílica de um simulante do agente de guerra Tabun

Abstract

Resumo: Os compostos organofosforados vem sendo utilizados como armas químicas desde a Segunda Guerra mundial, sendo bastante conhecido o gás Sarin e o Tabun. O estoque ou até mesmo atentados utilizando essas substâncias constituem ameaças iminentes, o que demanda o desenvolvimento de processos eficazes de neutralização (i.e. destruição) e monitoramento; Dessa forma, o presente trabalho tem como objetivo estudar a reação de neutralização do NEDPA (etil (4-nitrofenil) dimetilfosforamidato), que é um importante simulante do Tabun. Para isso, foram acompanhadas por espectroscopia UV-Vis as reações de hidrólise alcalina e com os nucleófilos nitrogenados imidazol e hidroxilamina em diferentes condições de pH e temperatura. Primeiramente, foram estudadas as reações de hidrólise alcalina, as quais apresentaram resultados promissores na neutralização do NEDPA, sendo possível completar a reação em menos de 8 horas em temperatura ambiente (25 °C) e apenas em 45 minutos em 60 °C. Os espectros obtidos por RMN da reação de hidrólise alcalina mostraram um resultado bastante surpreendente: a formação de um intermediário pentacoordenado estável no meio reacional, o qual posteriormente foi comprovado também por HMBC (Correlação Nuclear a Múltiplas Ligações). O mecanismo da reação foi elucidado a partir de cálculos teóricos que propôs a rota na qual o intermediário é formado, sendo um mecanismo de adição nucleofílica (hidroxila) seguido por uma eliminação do grupo de saída (nitrofenol). Por último, a reatividade do NEDPA foi avaliada com o imidazol e a hidroxilamina. As reações com imidazol se mostraram extremamente lenta, tanto em temperatura ambiente como em 60 °C. Já as reações com a hidroxilamina obtiveram resultados mais promissores, em condições menos básicas, como em pH 9, condição em que a reação na ausência de hidroxilamina (hidrólise) não foi possível acompanhar por ser extremamente lenta. A hidroxilamina apresentou um ótimo potencial de neutralização com constante de velocidade na ordem de 10-3 min-1, podendo promover a reação de neutralização em 30 horas em pH 9. Portanto, nesse trabalho foi possível estudar nucleófilos com grande potencial de neutralização do NEDPA, destacando as reações de hidrólise alcalina, que podem ser aplicadas com um baixo tempo de execução. Além disso, foi elucidado o mecanismo inédito da reação, comprovando a formação inesperada do intermediário através de uma adição nucleofílica. Os resultados obtidos nesse trabalho, com relação a neutralização do NEDPA, são muito promissores comparados com outros estudos reportados na literatura. Além disso, esses resultados podem ser utilizados para a projeção de novos agentes neutralizadores de armas químicas.

Abstract: Organophosphate compounds have been used as chemical weapons since the Second World War, with Sarin and Tabun gas being well known. Unfortunately, some countries still stock these substances, putting the population's chemical safety in check. Thus, the present work aims to study the neutralization reaction of NEDPA (ethyl (4-nitrophenyl) dimethylphosphoramidate), which is an important simulant of Tabun. For this, the reactions of alkaline hydrolysis and with the nitrogenous nucleophiles imidazole and hydroxylamine under different conditions of pH and temperature were monitored by UV-Vis spectroscopy. First, the alkaline hydrolysis reactions were studied, which showed promising results in the neutralization of NEDPA, being possible to complete the reaction in less than 8 hours at room temperature (25 °C) and only in 45 minutes at 60 °C. The spectra obtained by NMR of the alkaline hydrolysis reaction showed a very surprising result: the formation of a stable pentacoordinated intermediate in the reaction medium, which was later also confirmed by HMBC (Multiple Bonds Nuclear Correlation). The reaction mechanism was elucidated from theoretical calculations that proposed the route in which the intermediate is formed, being a mechanism of nucleophilic addition (hydroxyl) followed by an elimination of the leaving group (nitrophenol). Finally, the reactivity of NEDPA was evaluated with imidazole and hydroxylamine. Reactions with imidazole proved to be extremely slow, both at room temperature and at 60 °C. The reactions with hydroxylamine obtained more promising results, with values in the same decimal place as the rate constants in alkaline hydrolysis at 25 °C (10-3 min-1). Furthermore, under less basic conditions, such as at pH 9, alkaline hydrolysis reactions are extremely slow, and it is not possible to follow up in a timely manner. However, under these conditions, hydroxylamine showed a satisfactory neutralization potential with a rate constant in the order of 10-3 min-1, being able to neutralize the reaction in 30 hours at pH 9 (half-life of 6 hours). Therefore, in this work it was possible to study nucleophiles with great potential for neutralizing NEDPA, highlighting the alkaline hydrolysis reactions, which can be applied with a low execution time. In addition, the unprecedented mechanism of the reaction was elucidated, proving the unexpected formation of the intermediate through a nucleophilic addition. The results obtained in this work, regarding the neutralization of NEDPA, are very promising compared to other studies reported in the literature. In addition, these results can be used to design new chemical weapons neutralizing agents.