A versatilidade do imidazol em reações com organofosforados : o caso peculiar do pesticida diazinon

Orientadora: Profa. Dra. Elisa Souza OrthDissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de CIências Exatas, Programa de Pós-Graduação em Química. Defesa : Curitiba, 19/02/2020Inclui referências: p. 80-85Resumo: Este trabalho, buscou avaliar o processo de detoxificação química do pesticida Diazinon (DZN), um composto tóxico da classe dos organofosforados (OF's) utilizado como acaricida e fungicida. Semelhante a maioria dos OF's, o DZN possui alta estabilidade, sendo seu tempo de meia-vida (t1/2) para a hidrólise espontânea superior a 17 meses (60 oC), envolvendo muitas vezes mecanismos complexos, ainda pouco elucidados. Assim, tem-se buscado catalisadores que possam acelerar essas reações, destacando-se o imidazol (IMZ). Sendo assim, o foco deste trabalho foi avaliar a reação do IMZ com DZN. Inicialmente, avaliou-se a hidrólise ácida, alcalina e na faixa de pH 2-10 do DZN a 60 oC, fundamentais para os comparativos das reações subsequentes. A hidrólise ácida se mostrou parecida com a alcalina (k ~ 10-2 L mol-1 s-1), mais eficientes, enquanto a hidrólise foi mais lenta em pH 7 (k ~ 10-6 L .mol-1 s-1). Ao estudar a reação do DZN com IMZ, vale ressaltar as várias espécies possíveis que podem reagir, sendo que possuem pKa's ~ 5 e ~ 7, respectivamente. Observou-se que as reações na presença de IMZ foram muito mais rápidas que a hidrólise em toda faixa de pH estudada (pH 3-10). Ainda, o IMZ mostrou um comportamento bastante peculiar pois sua forma protonada foi mais reativa frente ao DZN do que sua espécie neutra (k ~ 10-4 e 10-5 L mol-1 s-1, respectivamente), o que é bastante incomum e inédito na literatura. Isso trouxe um indício de mudança no mecanismo da reação, modulado pelo pH. As reações com IMZ foram mais rápidas, com incrementos catalíticos da ordem de 103 superiores à reação espontânea, com t1/2 menor que 3 h. As análises de Ressonância Magnética Nuclear - RMN de 31P 1D e 2D confirmaram a suspeita de mudança no mecanismo da reação. Para a reação em pH 5 com a espécie protonada do IMZ, a reação é seletiva e leva a formação de apenas um produto fosforilado. Nesse caso, sugere-se que o IMZ atua como catalisador ácido geral, assistindo o ataque de uma água ao átomo de fosforo. Os dados de RMN em pH 8 mostram que o IMZ se torna mais promíscuo na sua forma neutra, levando a formação de 3 produtos fosforilados. Nesse caso, propõe-se que o IMZ possa atuar como i) nucleófilo, atacando diretamente o carbono alifático, formando etilimidazol e um diester derivado do DZN chamado aqui de hidroxi-diazinon (HyDZN); e ii) catalisador básico geral, auxiliando o ataque de uma molécula de água ao átomo de fosforo tanto do DZN quanto do HyDZN. Análises de espectrometria de massas e efeito isotópico cinético de solvente corroboraram com os mecanismos propostos nas reações. Em suma, o IMZ atua de maneira incrivelmente versátil nas reações com o DZN, podendo exercer múltiplas catálises e modular o mecanismo de reação em função do pH: nucleofílico e catálise ácida/básica. Essa versatilidade, ainda que represente uma promiscuidade, muitas vezes indesejada, aqui vem a auxiliar na elucidação mecanística de um agrotóxico amplamente utilizado comercialmente, com potencial para complementar novas e eficientes possibilidades de detoxificação e monitoramento. Certamente, o viés mecanístico é a ferramenta mais poderosa na promoção de segurança química. Palavras-chave: Catálise. Organofosfatos. Desfosforilação. Nucleófilo promíscuo. Detoxificação.Abstract: This work sought to evaluate the chemical detoxification process of the pesticide Diazinon (DZN), a toxic compound of the class of organophosphates (OF's) used as an acaricide and fungicide. Similar to most OF, DZN has high stability, its half-life time (t1/2) for the spontaneous hydrolysis is over 17 months (60 oC), usually involving complex mechanisms, still poorly elucidated. Thus, catalysts that can accelerate these reactions have been pursued, especially imidazole (IMZ). Therefore, the focus of this work was to evaluate the reaction of IMZ with DZN. Initially, the hydrolyses of DZN at 60 oC were evaluated (acidic, alkaline hydrolysis and in the pH range 2-10), which are fundamental for comparing with subsequent reactions. Acid hydrolysis showed to be similar to alkaline (k ~ 10-2 L.mol-1.s-1), more efficient, while hydrolysis was slower at pH 7 (k ~ 10-6 L.mol-1.s-1). When studying the reaction of DZN with IMZ, it is worth mentioning the various possible species that can react, since they have pKa's ~ 5 and ~ 7, respectively. It was observed that the reactions in the presence of IMZ were much faster than the hydrolysis in the entire studied pH range (pH 3-10). Moreover, IMZ showed a very peculiar behavior towards DZN, because its protonated form was more reactive than its neutral species (k ~ 10- 4 and 10-5 L mol-1 s-1, respectively), quite unusual and unprecedented in the literature. This suggests a mechanistic shift in the reaction, modulated by pH. The reactions with IMZ were faster, with catalytic increments in the order of 103-fold compared to the spontaneous reaction, with t1/2 less than 3 h. The analysis of nuclear magnetic resonance - 31P 1D and 2D NMR confirmed the alteration in the reaction mechanism. For the reaction at pH 5 with the protonated species of IMZ, the reaction is selective and leads to the formation of only one phosphorylated product. In this case, it is suggested that IMZ acts as a general acid catalyst, assisting the water attack towards the phosphorus atom. NMR data at pH 8 showed that IMZ becomes more promiscuous in its neutral form, leading to the formation of 3 phosphorylated products. In this case, it is proposed that IMZ can react as i) nucleophile, directly attacking aliphatic carbon, forming ethylimidazole and a diester derived from DZN, namely hydroxy-diazinon (HyDZN); and ii) general basic catalyst, assisting the water attack on the phosphorus atom of both DZN and HyDZN. Mass spectrometry analyzes and kinetic isotopic effect of solvent corroborated the mechanisms proposed in the reactions. Overall, IMZ acts in an incredibly versatile way in reactions with DZN, being able to promote multiple catalyses and to modulate the reaction mechanism in function of the pH: nucleophilic and acid/basic catalysis. This versatility, although representing a promiscuity, often unwanted, here comes to assist in the mechanistic elucidation of a pesticide widely used commercially, with the potential to complement new and efficient possibilities of detoxification and monitoring. Certainly, the mechanistic perspective is the most powerful tool in promoting chemical safety. Keywords: Catalysis. Organophosphates. Dephosphorylation. Promiscuous nucleophile. Detoxification