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Computational Predictions of the Hydrolysis of 2,4,6-Trinitrotoluene (TNT) and 2,4-Dinitroanisole (DNAN)

化学 三硝基甲苯 亲核芳香族取代 计算化学 亲核细胞 密度泛函理论 亲核取代 芳香性 基准集 水解 分子动力学 反应性(心理学) 化学选择性 过渡状态 亲核加成 药物化学 有机化学 分子 催化作用 爆炸物 替代医学 医学 病理
作者
Eric J. Bylaska,Paul G. Tratnyek,Tifany L. Torralba−Sanchez,Kyle Edwards,David A. Dixon,Joseph J. Pignatello,Xu Wang
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry A [American Chemical Society]
卷期号:126 (48): 9059-9075 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acs.jpca.2c06014
摘要

Hydrolysis is a common transformation reaction that can affect the environmental fate of many organic compounds. In this study, three proposed mechanisms of alkaline hydrolysis of 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) and 2,4-dinitroaniline (DNAN) were investigated with plane-wave density functional theory (DFT) combined with ab initio and classical molecular dynamics (AIMD/MM) free energy simulations, Gaussian basis set DFT calculations, and correlated molecular orbital theory calculations. Most of the computations in this study were carried out using the Arrows web-based tools. For each mechanism, Meisenheimer complex formation, nucleophilic aromatic substitution, and proton abstraction reaction energies and activation barriers were calculated for the reaction at each relevant site. For TNT, it was found that the most kinetically favorable first hydrolysis steps involve Meisenheimer complex formation by attachment of OH– at the C1 and C3 arene carbons and proton abstraction from the methyl group. The nucleophilic aromatic substitution reactions at the C2 and C4 arene carbons were found to be thermodynamically favorable. However, the calculated activation barriers were slightly lower than in previous studies, but still found to be ΔG‡ ≈ 18 kcal/mol using PBE0 AIMD/MM free energy simulations, suggesting that the reactions are not kinetically significant. For DNAN, the barriers of nucleophilic aromatic substitution were even greater (ΔG‡ > 29 kcal/mol PBE0 AIMD/MM). The most favorable hydrolysis reaction for DNAN was found to be a two-step process in which the hydroxyl first attacks the C1 carbon to form a Meisenheimer complex at the C1 arene carbon C1–(OCH3)OH–, and subsequently, the methoxy anion (−OCH3) at the C1 arene carbon dissociates and the proton shuttles from the C1–OH to the dissociated methoxy group, resulting in methanol and an aryloxy anion.

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