Estudio de propiedades termoquímicas de compuestos nitratos de peroxiacilo (PANs, RC(O)OONO2 ) de relevancia atmosférica.

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Resumen

Peroxyacyl nitrates (PANs) are considered unstable secondary pollutants, a product of the reaction of peroxy alkyl radicals (from the oxidative degradation of aldehydes and ketones) and nitrogen dioxide via photolysis. The first compound was detected and named substance "X" in 1953 using a long-range IR spectrophotometer. Until 1960, by means of the gas chromatography technique it was named as peroxyacetyl nitrate (PAN), being this the most abundant of the PAN family found worldwide both in the troposphere and in polluted urban regions. PAN has been extensively studied at the environmental and laboratory level. Since the 1970s, various investigations have been carried out using techniques such as long-range infrared (IR) spectroscopy, gas chromatography with electron capture detection, chemiluminescent detection, mass spectrometry, nuclear magnetic resonance and other methods to detect derivative compounds. PAN such as propionyl peroxynitrate (PPN), isobutyryl peroxynitrate (PiBN), methacryloyl peroxynitrate (MPAN), benzoyl peroxynitrate (PBzN), and peroxycrotonyl nitrate (CPAN). This family of compounds is characterized by being stable at low temperatures and unstable at high temperatures, providing large amounts of NOX that contribute to the photochemical production of O3. They are considered transporters of nitrogen oxides (NOX) over long distances, markers for the identification of volatile organic compounds (VOCs), powerful respiratory and eye irritants, and harmful agents in vegetation. Considering the importance of this family in the atmosphere and the scarcity of physicochemical data, it is of great interest to carry out studies through computational chemistry and high precision chemical theories to estimate structural, vibrational and thermodynamic data that will help to know the chemical properties of this family of PANs. In this work, 8 compounds belonging to the peroxyacyl nitrate family were studied: methoxyiformyl peroxynitrate (MoPAN), acryloyl peroxynitrate (APAN), (PPN), n-butyryl peroxynitrate (PnBN), (CPAN), (PiBN ), (MPAN) and peroxy-n-valeryl nitrate (PnVN). Our calculations used density functional theory (DFT) through the hybrid functionals, B3LYP and M06-2X in combination with the base set 6-311 ++ G (3df, 3pd).Our results allowed us to estimate geometric parameters that show us very flexible structures that have a stable conformation in their cis isomerism in relation to the carbonyl group and the nitro group (NO2) of these compounds, the estimated vibrational frequencies allowed us to characterize the bands of the group peroxyacyl nitrate -C (O) OONO2 which appear in the average frequencies for the C = O band (1875 cm-1), two bands for the nitro group NO2 symmetric (1353 cm-1) NO2 asymmetric (1803 cm-1) , a band for OO (982 cm-1) and a band for CO (1076 cm-1) that are in agreement with that reported in the literature. Molecular orbitals were explored and allowed us to calculate the binding orders of the molecules studied, focusing mainly on the -C (O) OONO2 group and the  systems of the PANs derivatives. Regarding the estimated thermochemical parameters, the enthalpy of formation values ​​increase with molecular complexity in a range from -32.8 kcal / mol to -100.7 kcal / mol and two of our molecules are in accordance with the data reported by other researchers while the rest of the values ​​reported here can be taken into account as reference values.

Descripción

Los nitratos de peroxiacilo (PANs) son considerados contaminantes secundarios inestables, producto de la reacción de los radicales peroxi alquilo (procedentes de la degradación oxidativa de los aldehídos y cetonas) y dióxido de nitrógeno vía fotoltica. El primer compuesto fue detectado y denominado como sustancia “X” en 1953 utilizando un espectrofotómetro IR de largo recorrido. Hasta 1960, mediante la técnica de cromatografía de gases fue nombrado como nitrato de peroxiacetilo (PAN), siendo este el más abundante de la familia de las PANs encontrado en todo el mundo tanto en la troposfera como en regiones urbanas contaminadas. PAN ha sido ampliamente estudiado a nivel ambiental como en laboratorio. Desde los años 70 se han realizado diversas investigaciones empleando técnicas como espectroscopía infrarroja (IR) de largo recorrido, cromatografía de gases con detección de captura de electrones, detección quimio-luminiscente, espectrometría de masas, resonancia magnética nuclear y otros métodos para detectar compuestos derivados de PAN tales como el peroxinitrato de propionilo (PPN), peroxinitrato de isobutirilo (PiBN), peroxinitrato de metacriloilo (MPAN), peroxinitrato de benzoilo (PBzN) y peroxycrotonyl nitrate (CPAN). Esta familia de compuestos se caracteriza por ser estables a bajas temperaturas e inestables a temperaturas altas aportando grandes cantidades de NOX que contribuyen a la producción fotoquímica de O3. Son considerados transportadores de óxidos de nitrógenos (NOX) a grandes distancias, marcadores para la identificación de compuestos orgánicos volátiles (COVS), potentes irritantes respiratorios y oculares, y agentes nocivos en la vegetación. Considerando la importancia de esta familia en la atmósfera y la escases de datos fisicoquímicos, es de gran interés realizar estudios a través de la química computacional y de teorías de alta precisión química para estimar datos estructurales, vibracionales y termodinámicos que ayudaran conocer las propiedades químicas de esta familia de PANs. En este trabajo se estudiaron 8 compuestos pertenecientes a la familia de los nitratos de peroxiacilo: peroxinitrato de metoxiformilo (MoPAN), peroxinitrato de acriloilo (APAN), (PPN), peroxinitrato de n-butirilo (PnBN), (CPAN), (PiBN), (MPAN) y peroxy-n-valeryl nitrate (PnVN). Nuestros cálculos emplearon la teoría funcional de densidad (DFT) a través de los funcionales híbridos, B3LYP y M06-2X en combinación con el conjunto de base 6-311++G(3df,3pd). Nuestros resultados nos permitieron estimar parámetros geométricos que nos muestran unas estructuras muy flexibles que tienen una conformación estable en su isomería cis en relación al grupo carbonilo y el grupo nitro (NO2) de estos compuestos, las frecuencias vibracionales estimadas nos permitieron caracterizar las bandas del grupo peroxiacil nitrato -C(O)OONO2 las cuales aparecen en las frecuencias promedio para la banda C=O (1875 cm-1), dos bandas para el grupo nitro NO2 simétrico (1353 cm-1) NO2 asimétrico (1803 cm-1), una banda para el O-O (982 cm-1) y una banda para C-O (1076 cm-1) que se encuentran en concordancia con lo reportado en la literatura. Se exploraron los orbitales moleculares y nos permitieron calcular los ordenes de enlace de las moléculas estudiadas enfocandonos principalmente en el grupo -C(O)OONO2 y los sistemas  de los derivados PANs. En cuanto a los parámetros termoquímicos estimados, los valores de entalpías de formación incrementan con la complejidad molecular en un rango de -32,8 kcal/mol hasta -100,7 kcal/mol y dos de nuestras moléculas están acorde con los datos reportados por otros investigadores mientras que el resto de valores reportados aquí pueden ser tenidos en cuenta como valores de referencia.

Palabras clave

Química computacional, Teoría funcional de la densidad, Nitrato de peroxiacilo, Termoquímica

Materias

Licenciatura en Química - Tesis y Disertaciones Académicas , Nitratos - Aspectos ambientales , Nitratos - Efectos fisiológicos , Contaminación por nitratos , Contaminación del aire

Citación