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Theoretical studies of 2,4-DNT molecular structure and its interaction with siloxane surface of clays
Ramos Reyes, Carmen M.
Ramos Reyes, Carmen M.
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Abstract
Among the many different signature compounds emitted from a landmine in the vapor phase, 2,4-DNT is the most common nitroaromatic compound used to detect buried landmines. This study presents ab initio quantum mechanical calculations on the interaction of 2,4-DNT (DNT) with the basal siloxane surface of the clay mineral kaolinite. Theoretical calculations of the low energy conformation of DNT interacting with the siloxane surface of clay minerals were performed to determine obtain their properties once adsorbed as well as the structure of the adsorbed molecule. The calculations also indicate the orientation of DNT adsorbed on the clay surface and the effect of adsorption. This study was performed using DFT, DFT//HF and MP2//HF methods taking into account the contribution of the Coulombic (CE𝘣) and dispersion (DE𝘣) energies, to obtain the binding energies between DNT and siloxane surface. A comparison of the CE𝘣 and DE𝘣 energies shows that the stabilization of DNT at the siloxane sites is mainly provided by dispersion interaction energy. Considering the accuracy and cost of the computation methods the 6-31+G* basis set produced the best representation of the interaction energy (42 kJ/mol) using the MP2//HF level of theory for the interaction. These theoretical calculations give a good prediction of the interaction between the 2,4-DNT molecule with soil clay minerals. The computational results are compared with the experimental results obtained with the FT-IR microspectroscopic technique. A solvation analysis, using water as solvent, was performed to the DNT, the PCM solvation model affects significantly the spectroscopic signature of the explosive molecule.
Entre los diversos compuestos en fase gaseosa emitidos de una mina terrestre, el 2,4-DNT es uno de los compuestos nitroaromáticos más comunes, y es utilizado en términos de detectar estas minas enterradas. Este estudio presenta cálculos mecánicos cuánticos ab initio de la interacción del DNT con la superficie basal, de siloxano, del mineral arcilloso caolinita. Se efectuaron cálculos teóricos del confórmero más estable del DNT interactuando con la superficie de siloxano del mineral arcilloso para obtener sus propiedades una vez es absorbido, así como la estructura de la molécula absorbida. Además, los cálculos recrean la forma en que se orienta el DNT y los efectos de la adsorción de éste a la arcilla. Este estudio fue realizado usando los métodos de DFT, DFT//HF y MP2//HF tomando en cuenta la contribución de la energía Coulómbica (CE𝘣) y de la energía de dispersión (DE𝘣), para obtener la energía de enlace entre el DNT y la superficie de siloxano. La comparación entre las energías CE𝘣 y DE𝘣 muestra que la estabilización del DNT en el siloxano es provista principalmente por la energía de dispersión. Considerando la exactitud y el costo computacional de los métodos, el basis set 6-31+G* es el que produce la mejor representación de la energía de interacción (42 kJ/mol) usando el nivel de teoría MP2//HF para la interacción. Los resultados computacionales son comparados con resultados experimentales obtenidos con la técnica de microespectroscopía infrarroja (FT-IR). Se realizó un análisis en el que se percibió el efecto de solvatación, usando agua como solvente, en la molécula de DNT, siendo el modelo de solvatación PCM el que produjo cambios significativos en la firma espectroscópica del explosivo.
Entre los diversos compuestos en fase gaseosa emitidos de una mina terrestre, el 2,4-DNT es uno de los compuestos nitroaromáticos más comunes, y es utilizado en términos de detectar estas minas enterradas. Este estudio presenta cálculos mecánicos cuánticos ab initio de la interacción del DNT con la superficie basal, de siloxano, del mineral arcilloso caolinita. Se efectuaron cálculos teóricos del confórmero más estable del DNT interactuando con la superficie de siloxano del mineral arcilloso para obtener sus propiedades una vez es absorbido, así como la estructura de la molécula absorbida. Además, los cálculos recrean la forma en que se orienta el DNT y los efectos de la adsorción de éste a la arcilla. Este estudio fue realizado usando los métodos de DFT, DFT//HF y MP2//HF tomando en cuenta la contribución de la energía Coulómbica (CE𝘣) y de la energía de dispersión (DE𝘣), para obtener la energía de enlace entre el DNT y la superficie de siloxano. La comparación entre las energías CE𝘣 y DE𝘣 muestra que la estabilización del DNT en el siloxano es provista principalmente por la energía de dispersión. Considerando la exactitud y el costo computacional de los métodos, el basis set 6-31+G* es el que produce la mejor representación de la energía de interacción (42 kJ/mol) usando el nivel de teoría MP2//HF para la interacción. Los resultados computacionales son comparados con resultados experimentales obtenidos con la técnica de microespectroscopía infrarroja (FT-IR). Se realizó un análisis en el que se percibió el efecto de solvatación, usando agua como solvente, en la molécula de DNT, siendo el modelo de solvatación PCM el que produjo cambios significativos en la firma espectroscópica del explosivo.
Description
Date
2005