Catálise com derivados de imidazol em reações com organofosforados : efeito do substituinte

Orientadora: Profa. Dra. Elisa Souza OrthCoorientador: Prof. Dr. Alfredo R. Marques de OliveiraDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Ciências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Química. Defesa : Curitiba, 28/07/2017Inclui referências: p.81-89Resumo: O imidazol e seus derivados são compostos de grande interesse devido a sua eficiencia enquanto catalisadores na transferência do grups fosforila. Nesse sentido promover a clivagem de organofosforados é bastante interessante sobre tudo devido a utilização desses compostos como pesticidas, armas químicas. Nesse trabalho foi avaliado o efeito de substituintes alcoolicos no iM z frente a reações de desfosforilação. Para isso, foram utilizados três derivados de IMZ o 1 -hidroxietil imidazol (1-HEZ), 1-hidroxipropil imidazol (1-HPZ) (sintetizados) e o 4(5) hidroximetil imidazol 4(5)HMZ (comercial). Os organofosforados escolhidos foram o tréster de fosfato dietil 2,4 dinitrofenilfosfato (DEDNPP) e o diester bis (2,4 dinitrofenil) fosfato de sódio (BDNPP). A cinética das reações foi acompanhada pela técnica de UV-Vis pelo aparecimento do produto de reação 2,4 dinitrofenolato (DNF). O mecanismo de reação foi investigado a partir das técnicas de ressonância magnética nuclear (RMN), espectrometria de massas (EM), efeito isotópico cinético (EIC), parâmetros termodinâmicos de ativação e por análise físico-químico orgânica utilizando a equação de Bronsted. Para a reação do triéster DEDNPP com os derivados o 1-HEZ e o 1-HPZ, os resultados de EIC com valores próximos de 1 e parâmetros termodinâmicos com entropia bastante negativa, evidenciaram que ambos os derivados reagem por mecanismos semelhantes de catalise nucleofílica com ataque do anel de imidazol sobre o átomo de fósforo. Na análise de RMN de P não foram detectados intermediários de reação fosforilados, devido à alta instabilidade dos mesmos, sendo observados apenas o organofosforado de partida e o produto final (fosfato de dietila). Na análise por EM foram detectadas todas as peças chave de reação, inclusive o intermediário fosforilado. Além disso, o plot de Bronsted evidenciou uma reta, típico de mecanismo concertado. As reações com o diéster de fosfato BDNPP foram estudadas com os hidroxiimidazois 1-hEz, 1-HPZ e 4(5)HMZ. Nesse caso foi observado valores de EIC secundário (i.e. entre 1 e 2) indicando que nesse caso a hidroxila poderia estar influenciando o mecanismo de reação. A partir dos valores de EIC combinado com os parâmetros termodinâmicos foi proposto um mecanismo de catálise nucleofílica combinada com a estabilização do estado de transição por uma ligação de hidrogênio do grupo hidroxila dos hidroxiimidazois. A partir do estudo por RMN de 31P para BDNPP com o 1-HEZ, foi observado o intermediário fosforilado, incomum para derivados de IMZ na posição 1, indicando que a ligação de hidrogênio com a porção fosfato pode estabilizar o intermediário de reação. Para o 4(5)HMZ foram observados, além do intermediário fosforilado, outras espécies evidenciando que a troca de posição da hidroxila tornou o mecanismo reacional mais complexo, inclusive com a detecção de um inesperado produto 0 - fosforilado. Por fim, os incrementos catalíticos observados para o DEDNPP (~105 vezes) e para o BDNPP (~106 vezes) mostraram o grande poder catalítico desses compostos e sua promissora aplicação. De maneira geral, esse estudo foi importante para elucidar o efeito de substituintes em derivados de IMZ com potencial para interações intramoleculares. Isso é promissor para compreensão de sítios enzimáticos e também para projeção de catalisadores e detoxificantes proeminentes. Palavras-chave: Hidroxiimidazol. Mecanismo de reação. Organofosforados.Abstract: Imidazole and its derivatives are compounds of great interest because of their efficiency as catalysts in phosphoryl transfer. In this sense promoting the cleavage of organophosphates is quite interesting because they are used as pesticides, chemical weapons. In this work the effect of alcoholic substituents in IMZ towards the dephosphorylation reactions was evaluated. For this, two IMZ derivatives were synthesized: 1-hydroxyethyl imidazole (1-HEZ), 1-hydroxypropyl imidazole (1-HPZ) and one commercial 4(5) hydroxymethylimidazole (4(5) HMZ) were used. The chosen organophosphates were the triester 2,4-dinitrophenyl phosphate (DEDNPP) and sodium bis (2,4-dinitrophenyl) phosphate (BDNPP). The reaction kinetics were accompanied by the UV-Vis technique by the appearance of the reaction product 2,4 dinitrophenolate (DNF). The reaction mechanism was investigated using nuclear magnetic resonance (NMR), mass spectrometry (EM), kinetic isotope effect (EIC), thermodynamic activation parameters and organic physicochemical analysis using the Bronsted equation. For the reaction with DEDNPP with the derivatives 1-HEZ and 1-HPZ,. the EIC results with values close to 1 and thermodynamic parameters with a very negative entropy showed that both derivatives react by similar mechanisms of nucleophilic catalysis, with the imidazole ring attacking the phosphorus atom. In the 31P NMR analysis no phosphorylated reaction intermediates were detected due to the high instability of the same and only the starting organophosphate and the final product (diethyl phosphate) were observed. In the MS analysis all the key pieces of reaction were detected, including the phosphorylated intermediate. In addition, the Bronsted plot showed a straight line, typical of a concerted mechanism. Reactions with the BDNPP were studied with 1-h Ez , 1-HPZ and 4 (5) HMZ hydroxyimidazoles. In this case, secondary EIC values (i.e., between 1 and 2) were observed indicating that in this case the hydroxyl could be influencing the reaction mechanism. From the EIC values combined with the thermodynamic parameters it has been proposed a nucleophilic catalysis mechanism combined with the stabilization of the transition state by a hydrogen bond of the hydroxyl group of the hydroxyimidazoles. From the 31P NMR study for BDNPP with 1-He Z, the phosphorylated intermediate, unusual for IMZ derivatives at position 1, was observed, indicating that hydrogen bonding with the phosphate moiety can stabilize the reaction intermediate. For the 4(5) HMZ, other species were observed besides the phosphorylated intermediate, evidencing that the hydroxyl position change made the reaction mechanism more complex, including the detection of an unexpected O-phosphorylated product. Finally, the catalytic increases observed for DEDNPP (~ 105-fold) and BDNPP (~ 106-fold) showed the great catalytic power of these compounds and their promising application. In general, this study was important to elucidate the effect of substituents on IMZ derivatives with potential for intramolecular interactions. This is promising for understanding enzyme sites and also for projection of prominent catalysts and detoxifiers. Key-words: Hydroxyimidazole. Reaction mechanism. Organophosphates