Квантовохімічний кластерний підхід при дослідженні адсорбції деяких нітросполук на поверхні грані {100} α-кварцу

  • O. Tsendra Міждисциплінарний центр по дослідженню токсичності нанооб’єктів Джексон / Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
  • L. Gorb Badger Technical Services, LLC
  • V. V. Lobanov Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка Національної академії наук України
  • J. Leszczynski Міждисциплінарний центр по дослідженню токсичності нанооб’єктів Джексон

Анотація

Квантовохімічне дослідження з використанням теорії функціоналу густини методом M06-2x/6‑31G(d,p) та методом  ONIOM-3 (програма Gaussian09) показало, що α-кварц здатний адсорбувати 2,4,6-тринітротолуол, 2,4-динітротолуол, 2,4‑динітро-анізол та 3-нітро-1,2,4-тріазол-5. Механізм адсорбції усіх чотирьох досліджених нітросполук схожий – основна роль у зв’язуванні адсорбата з поверхнею належить водневим зв’язкам, а стекінґ-взаємодії забезпечують додаткову стабілізацію адсорбційних комплексів. З аналізу вивчених систем за допомогою підходу «Атоми в молекулах» було встановлено, що енергія адсорбції пропорційна кількості міжмолекулярних зв’язків між молекулою адсорбата та поверхнею.  Встановлено, що енергетично вигіднішим при адсорбції є паралельне розташування молекули нітросполуки по відношенню до поверхні кварцу.

Посилання

Simini M., Wentsel R.S., Checkai R.T., Phillips C.T., Chester N.A., Majors M.A., Amos J.C. Evaluation of soil toxicity at Joliet Army Ammunition  Plant // Environ. Toxicol. Chem. – 1995. – V. 14. – P. 623 – 630.

Dave G., Nilsson E., Wernersson A.-S. Sediment and water phase toxicity and UV-activation of six chemicals used in military explosives // Aquat. Ecosystem Health Manage. – 2000. – V. 3. – P. 291 – 299.

Pennington J.C., Brannon J.M. Environmental fate of explosives // Thermochimica Acta. – 2002. – V. 384. – P. 163 – 172.

Talmage S.S., Opresko D.M., Maxwell C.J., Welsh C.J.E., Cretella F.M., Reno P.H., Daniel F.B. Nitroaromatic muition compounds: environmental effects and screening values // Rev. Environ. Contam. Toxicol. – 1999. – V. 161. – P. 1 – 156.

Crockett A.B., Jenkins T.F., Craig H.D., Sisk W.E. Overview of On-Site Analytical Methods for Explosives in Soil Special Report 98-4 February 1998 US Army Corps of Engineers® Cold Regions Research & Engineering Laboratory.

Kulkarni M., Chaudhari A. Microbial remediation of nitro-aromatic compounds: An overview // Journal of Environmental Management. – 2007. – V. 85. – P. 496 – 512.

Urbiztondo M.A., Pellejero I., Villarroya M., Sese J., Pina M.P., Dufourb I., Santamaria J. Zeolite-modified cantilevers for the sensing of nitrotoluene vapors // Sensors and Actuators B. – 2009. – V. 137. – P. 608 – 616.

Alzate L.F., Ramos C.M., Hernandez N.M., Hernandez S.P., Mina N. The vibrational spectroscopic signature of TNT in clay minerals // Vibrational Spectroscopy. – 2006. – V. 42. – P. 357 – 368.

Nefso E.K., Burns S.E., McGrath C.J. Degradation kinetics of TNT in the presence of six mineral surfaces and ferrous iron // Journal of Hazardous Materials B. – 2005. – V. 123. – P. 79 – 88.

Robidoux, P.Y., Svendsen, C., Caumartin, J., Hawari, J., Ampleman, G., Thiboutot, S., Weeks, J.M., Sunahara, G.I. Chronic toxicity of energetic compounds in soil determined using the earthworm (Eisenia andrei) reproduction test // Environ. Toxicol. Chem. – 2000. – V. 19. – P. 1764 – 1773.

Siciliano, S.D., Roy, R., Greer, C.W. Reduction in denitrification activity in field soils exposed to long term contamination by 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) // FEMS Microbiol. Ecol. – 2000. – V. 32. – P. 61 – 68.

Elovitz M.S., Weber E.J. Sediment-mediated reduction of 2,4,6-trinitrotoluene and fate of the resulting aromatic (poly)amines // Environ. Sci. Technol. – 1999. – V. 33. – P. 2617 – 2625.

Rocheleau S., Kuperman R.G., Martel M. Phytotoxicity of nitroaromatic energetic compounds freshly amended or weathered and aged in sandy loam soil // Chemosphere. – 2006. – V. 62. – P. 545 – 558.

Guthrie G.D. Jr., and Heaney P.J. Mineralogical characteristics of the silica polymorphs in relation to their biological activities // Scandinavian Journal of Work, Environment, and Health. – 1995. – V. 21. – P. 5 – 8.

The Chemistry of Silica: Solubility, Polymerization, Colloid and Surface Properties and Biochemistry of Silica / Ralph K.Iler. – New York – Chichester – Brisbano – Toronto: A Wiley-Interscience Publication, 1979.

Structural Chemistry of Silicates: Structure, Bonding, and Classification / Friedrich Liebau. – Berlin – Heidelberg – New York Tokyo: Springer-Verlag, 1985.

Chelikowsky J.R., Binggeli N. Modeling the properties of quartz with clusters // Solid State Communications. – 1998. – V. 107 (10). – P. 527 – 531.

Sindorf D.W., Maciel G.E. Cross-polarization magic-angle-spinning silicon-29 nuclear magnetic resonance study of silica gel using trimethylsilane bonding as a probe of surface geometry and reactivity // J. Phys. Chem. – 1982. – V. 86 (26). – P. 5208 – 5219.

Fyfe C.A., Gobbi G.C., Kennedy G.J. Quantitatively reliable silicon-29 magic-angle spinning nuclear magnetic resonance spectra of surfaces and surface-immobilized species at high field using a conventional high-resolution spectrometer // J. Phys. Chem. – 1985. – V. 89 (2). – P.  277 – 281.

Schlegel M.L., Nagy K.L., Fenter P. Structures of prismatic and pyramidal surfaces of quartz: a combined high resolution X-ray reflectivity and atomic force microscopy study // Geochimica et Cosmochimica Acta. – 2002. – V. 66 (17). – P. 3037 – 3054.

Gorb L., Lutchyn R., Zub Yu. The origin of the interaction of 1,3,5-trinitrobenzene with siloxane surface of clay minerals // THEOCHEM. – 2006. – V. 766. – P. 151 – 157.

Michalkova A.,  Robinson T. L., Leszczynski J. Adsorption of thymine and uracil on 1:1 clay mineral surfaces: comprehensive ab initio study on influence of sodium cation and water // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2011. – V. 13. – P. 7862 – 7881.

Alzate L., Ramos C.M., Hernandez N.M. The Vibrational Spectroscopic Signature of TNT in Clay Minerals // Vibrational Spectroscopy. – 2006. – V. 42. – P. 357 – 368.

Benco L., Tunega D. Adsorption of H2O, NH3 and C6H6 on alkali metal cations in internal surface of mordenite and in external surface of smectite: a DFT study // Phys. Chem. Miner. – 2009. – V. 36(5). – P. 281 – 290.

Tunega D., Haberhauer G., Gerzabek M.H. Theoretical study of adsorption sites on the (001) surfaces of 1:1 clay minerals // Langmuir – 2002. – V. 18. – P. 139 – 147.

Zhao Yan, Truhlar D.G. Exploring the Limit of Accuracy of the Global Hybrid Meta Density Functional for Main-Group Thermochemistry, Kinetics, and Noncovalent Interactions // J. Chem. Theory Comput. – 2008. – V. 4 (11). – P. 1849 – 1868.

Frisch M.J., Trucks G.W., Schlegel H.B., Scuseria G.E., Robb M.A., Cheeseman J.R., Scalmani G., Barone V., Mennucci B., Petersson G.A., Nakatsuji H., Caricato M., Li X., Hratchian H.P., Izmaylov A.F., Bloino J., Zheng G., Sonnenberg J.L., Hada M., Ehara M., Toyota K., Fukuda R., Hasegawa J., Ishida M., Nakajima T., Honda Y., Kitao O., Nakai H., Vreven T., Montgomery J.A. Jr., Peralta J.E. , Ogliaro F., Bearpark M., Heyd J.J., Brothers E., Kudin K.N., Staroverov V.N. , Kobayashi R., Normand J., Raghavachari K., Rendell A., Burant J. C., Iyengar S.S., Tomasi J., Cossi M., Rega N., Millam J.M., Klene M., Knox J.E., Cross J.B. , Bakken V., Adamo C., Jaramillo J., Gomperts R., Stratmann R.E., Yazyev O., Austin A.J., Cammi R., Pomelli C., Ochterski J.W., Martin R.L., Morokuma K., Zakrzewski V.G. , Voth G.A., Salvador P., Dannenberg J.J., Dapprich S., Daniels A.D., Farkas Ö., Foresman J.B., Ortiz J.V., Cioslowski J., Fox D.J. Gaussian 09, Revision A.1 // Gaussian, Inc., Wallingford CT. – 2009.

Boys S.F., Bernardi F. The Calculations of Small Molecular Interaction by the Difference of Separate Total Energies. Some Procedures with Reduced Error. // Mol. Phys. – 1970. – V. 19. – P. 553 – 566.

Bader R.F.W. "Atoms in Molecules" / Encyclopedia of Computational Chemistry, Edited by P.v.R. Schleyer et al. – John Wiley and Sons. – Chichester, UK. – 1998. – V. 1. – P. 64 – 86.

Biegler-König F., Schönbohm J. Update of the AIM2000-Program for atoms in molecules // J. Comput. Chem. – 2002. – V. 23 (15). – P. 1489 – 1494.

Koch U., Popelier P.L.A. Characterization of C-H-O Hydrogen Bonds on the Basis of the Charge Density  // J. Phys. Chem. – 1995. – V. 99. – P. 9747 – 9754.

Mata I., Alkorta I., Espinosa E., Molins E. Relationships between interaction energy, intermolecular distance and electron density properties in hydrogen bonded complexes under external electric fields // Chemical Physics Letters. – 2011. – V. 507. – P. 185–189.

Shishkin O., Gorb L.,  Leszczynski J. Conformational flexibility of pyrimidine rings of nucleic acid bases in polar environment: PCM study // Structural Chemistry. – 2009. – V. 20 (4). – P. 743 – 749.

Kosenkov D., Kholod Ya., Gorb L., Shishkin O., Kuramshina G.M., Dovbeshko G.I., Leszczynski J. Effect of a pH Change on the Conformational Stability of the Modified Nucleotide Queuosine Monophosphate // J. Phys. Chem. A. – 2009. – V. 113. – P. 9386 – 9395.

Shishkin O., Zubatyuk R., Dyakonenko V., Lepetit C., Chauvin R. The C–Cl∙∙∙π interactions inside supramolecular nanotubes of hexaethynyl-hexamethoxy[6]pericyclyne // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2011. – V. 13. – P. 6837 – 6848.

Zhikol O., Shishkin O., Lyssenko K., Leszczynski J. Electron density distribution in stacked benzene dimers: a new approach towards the estimation of stacking interaction energies // J. Chem. Phys. – 2005. – V. 122 (14). – P. 144104-1 – 8.

Опубліковано
2012-09-04
Як цитувати
Tsendra, O., Gorb, L., Lobanov, V. V., & Leszczynski, J. (2012). Квантовохімічний кластерний підхід при дослідженні адсорбції деяких нітросполук на поверхні грані {100} α-кварцу. Поверхня, (4(19), 7-18. вилучено із https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/467
Розділ
Теорія хімічної будови і реакційної здатності поверхні.