Buffer-Induced Acceleration and Inhibition in Polyoxometalate-Catalyzed Organophosphorus Ester Hydrolysis

水解 化学 催化作用 多金属氧酸盐 神经毒剂 对氧磷 基质(水族馆) 有机化学 海洋学 地质学 乙酰胆碱酯酶
作者
Daniel L. Collins-Wildman,Mooeung Kim,Kevin P. Sullivan,Anna M. Płonka,Anatoly I. Frenkel,Djamaladdin G. Musaev,Craig L. Hill
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:8 (8): 7068-7076 被引量:45
标识
DOI:10.1021/acscatal.8b00394
摘要

The Zr-containing polyoxometalates (POMs), including (Et2NH2)8{[α-PW11O39Zr(μ–OH)(H2O)]2}·7H2O (1), effectively catalyze the hydrolysis of nerve agent simulants at near-neutral pH. Analogous Zr-containing heterogeneous systems are much-studied and effective nerve-agent hydrolysis catalysts, but due to their heterogeneous nature, it is very challenging to know the exact structure of the catalytic sites during turnover and to clarify at the molecular level the elementary mechanistic processes. Here, under homogeneous conditions, hydrolysis rates of the nerve-agent simulant methyl paraoxon catalyzed by 1 are examined as a function of pH, ionic strength, catalyst, and substrate concentrations. In addition, the specific effect of three commonly used buffers is examined, revealing that acetate functions as a co-catalyst, phosphate inhibits hydrolytic activity, and 2-(N-morpholino)ethanesulfonic acid (MES) has no effect on the hydrolysis rate. Spectroscopic (31P nuclear magnetic resonance) and computational studies demonstrate how each of these buffers interacts with the catalyst and offer explanations of their impacts on the hydrolysis rates. The impact of the nerve-agent hydrolysis product, methyl phosphonic acid, is also examined, and it is shown to inhibit hydrolysis. These results will aid in the design of future Zr-based hydrolysis catalysts.

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