Synthetic receptors for optical detetion of DMMP (sarin simulant)

Abstract

Despite the genesis of Chemical Warfare Agents (CWA) and the demand of dismantling of the stockpiles by 2007 they are still involved with criminal activity. They were used in 13.7% of the total suicides in the world between 2010 and 2014, associated with terrorist attacks to spread panic or as a politic statement murdering people in some countries like Iraq, Japan, Iran, Malaysia, Syria and England.CWA can be subdivided in different groups, being one of them the nerve agents (NAs), that are organophosphorus compounds (OPCs). The exposure to them can lead to several health problems like myocardial, cognitive, and neuropsychiatric malfunctions, and ultimately to death. However, is already in literature some types of treatment like bioscavengers, that only lead to a neutralization of their reaction. One of the most dangerous and the analyte of this project is Sarin (GB), a G-agent. Since the discovery of its toxicity has been made several countermeasure studies, for treatment and method of destruction of the stockpiles. For GB the destruction is by incineration or neutralization with aqueous sodium hydroxide. However, besides the prohibitions of Chemical Weapons Convection (CWC), the use of CWA, especially GB continues to be reported, probably due to the relatively simple process of synthesis. Justifying the need to continue the research for quick, reliable, accurate, portable, and easy to use detectors. In this project dimethyl methylphosphonate (DMMP) was used as a simulant of Sarin. A series of ligands capable of forming metal complexes were synthesized and the binding behaviour towards DMMP of their metal complexes with Zn and Eu was evaluated. The ligand’s backbone was based on variants of salen ligands. The similar zinc receptors have been currently described as promising sensors for DMMP due to their affinity. It was made a replacement in the metal center from Zn to Eu and kept the backbone of the sensor (salen ligand), testing different chiralities, substituent groups and counterions, establishing a 2:1 stoichiometry instead of a 1:1 (ligand : metal). The reason for this change is to use the distinct feature of the luminescence of the lanthanides. Specifically, Eu that presents a red colour under the UV light. The synthesis was overall successful, being able to be realized UV-Vis, NMR, and fluorescence titrations. The data collected from the various titrations indicate a larger binding constant in the family of complexes L1 and L2 with Eu, than the ones reported in the literature, and from the family of complex I1 and I2. Besides the large values of the binding constant the complexes synthesized do not show more selectivity from the ones reported in the literature.

Apesar da origem e da demanda de destruição das reservas de Chemical Warfare Agents (CWA) até 2007 ter sido acordada, estes ainda se encontram ligados a atividades criminais. Foram usados para cometer suicídios em 13.7% dos casos no mundo entre 2010 e 2014, estando associados a ataques terroristas como forma de espalhar o pânico ou como declaração política, tendo assassinado pessoas em países como Iraque, Japão, Irão, Malásia, Síria e Inglaterra. CWA dividem-se em diferentes grupos, dentre os quais se encontram os nerve agents (NAs), estes são compostos organofosforados (OPCs) que podem levar a vários problemas de disfunções, tais como do miocárdio, cognitivas ou neuropsiquiátricas, culminando eventualmente em morte. No entanto, encontram-se na literatura alguns tipos de tratamentos como bioscavengers, que apenas atuam como neutralizadores das reações destes. Um dos mais nefastos e o que será o analito deste projeto é o Sarin (GB), um agente da série G. Desde a sua descoberta do seu nível de toxicidade, tem vindo a ser feitos diversos estudos como contramedidas, na área de tratamento e métodos de destruições das suas reservas. Os métodos de destruição das reservas de GB usados atualmente são o de inceneração ou neutralização com solução aquosa de hidróxido de sódio. No entanto, apesar das proibições estabelecidas pela Chemical Weapon Convection (CWC), ainda continuam a ser reportados ataques usando CWA, incluindo o uso de GB. Isto continua a acontecer provavelmente devido ao processo relativamente simples síntese, portanto continua a ser necessária a pesquisa por detetores rápidos, robustos, precisos, portáteis e fácil de utilizar. Neste projeto foi usado como analito o dimethyl methylphosphonate (DMMP) para mimetizar o Sarin. Foram sintetizados uma série de ligandos capazes de formar complexos metálicos e foi avaliado o comportamento de ligação dos complexos metálicos de zinco (Zn) e európio (Eu) relativamente ao DMMP. A estrutura dos ligandos foi realizada com diferentes variantes dos ligandos salen. Recetores de ligandos similares ao salen tem sido atualmente descritos como sensores de DMMP promissores devido à sua afinidade. Mantida a estrutura do sensor (ligandos salen) foram realizadas substituições do centro metálico de Zn por Eu, testando diferentes quiralidades, grupos substituintes e contra-iões, estabelecendo-se numa estequiometria de 2:1 em vez de 1:1 (ligando : metal). Esta alteração tem como propósito tirar proveito da luminescência característica dos lantanídeos. O európio em específico por apresentar uma luz vermelha sob radiação ultravioleta. As sínteses no geral foram bem sucedidas, tendo-se realizado titulações de UV-Vis, RMN e fluorescência. Os dados recolhidos das diferentes titulações demonstram uma constante de ligação mais alta para a família de complexos L1 e L2 com Eu do que as relatadas na literatura para os compostos da família I1 e I2. Para além dos valores altas das constantes de ligação dos complexos sintetizados, estes compostos não apresentam mais seletividade do que aqueles relatados na literatura.