Abstract With the urgent need to provide an efficient and reliable protection for people from fatal chemical and biological weapons, our fundamental understanding of how toxins interact with filters is far from complete. The situation is further complicated by natural difficulties of performing experimental measurements with lethal toxins. Unlike experiments, computational modeling offers an attractive and safe yet reliable way of studying behavior of toxic agents on a variety of substrates at a great level of detail. Here, we report DFT-based quantum-chemical calculations of adsorption and decomposition of DMMP, sarin and soman on MoO2 (011) surface. Our calculations show that MoO2 strongly adsorbs toxic nerve agents and quickly decomposes them. Decomposition of DMMP on the MoO2 (011) surface proceeds via the PO-CH3 bond breaking and a formation of a surface methoxy group. The calculated activation barrier for this reaction is 131.5 kJ mol−1. Unlike DMMP, decomposition of sarin and soman proceeds via the dealkylation reaction yielding propene and 3,3-dimethyl-1-butene, respectively. Decomposition of sarin requires a remarkably low energy (53.7 kJ mol−1), whereas the similar reaction in soman requires 50 kJ mol−1 more energy. We also make specific predictions to guide Ambient-Pressure X-ray Photoelectron Spectroscopy (APXPS) experiments on sarin interaction with MoO2 samples. We conclude that MoO2 serves as an efficient substrate able of degrading toxins.

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毒性神经毒剂的降解机制：对沙林和梭曼与二氧化钼相互作用的量子化学洞察

摘要 由于迫切需要为人们提供有效和可靠的保护，使其免受致命的化学和生物武器的伤害，我们对毒素如何与过滤器相互作用的基本了解还远未完成。由于使用致命毒素进行实验测量的自然困难，情况进一步复杂化。与实验不同，计算建模提供了一种有吸引力且安全但可靠的方法，可以在大量细节上研究有毒物质在各种基材上的行为。在这里，我们报告了基于 DFT 的 DMMP、沙林和梭曼在 MoO2 (011) 表面吸附和分解的量子化学计算。我们的计算表明，MoO2 强烈吸附有毒神经毒剂并迅速分解它们。DMMP 在 MoO2 (011) 表面的分解是通过 PO-CH3 键断裂和表面甲氧基的形成进行的。该反应的计算活化势垒为 131.5 kJ mol-1。与 DMMP 不同，沙林和梭曼的分解通过脱烷基化反应进行，分别产生丙烯和 3,3-二甲基-1-丁烯。沙林的分解需要非常低的能量 (53.7 kJ mol-1)，而在梭曼中的类似反应需要多 50 kJ mol-1 的能量。我们还进行了具体的预测，以指导沙林与 MoO2 样品相互作用的环境压力 X 射线光电子能谱 (APXPS) 实验。我们得出结论，MoO2 是一种能够降解毒素的有效底物。沙林和梭曼的分解通过脱烷基化反应进行，分别产生丙烯和 3,3-二甲基-1-丁烯。沙林的分解需要非常低的能量 (53.7 kJ mol-1)，而在梭曼中的类似反应需要多 50 kJ mol-1 的能量。我们还进行了具体的预测，以指导沙林与 MoO2 样品相互作用的环境压力 X 射线光电子能谱 (APXPS) 实验。我们得出结论，MoO2 是一种能够降解毒素的有效底物。沙林和梭曼的分解通过脱烷基化反应进行，分别产生丙烯和 3,3-二甲基-1-丁烯。沙林的分解需要非常低的能量 (53.7 kJ mol-1)，而在梭曼中的类似反应需要多 50 kJ mol-1 的能量。我们还进行了具体的预测，以指导沙林与 MoO2 样品相互作用的环境压力 X 射线光电子能谱 (APXPS) 实验。我们得出结论，MoO2 是一种能够降解毒素的有效底物。我们还进行了具体预测，以指导沙林与 MoO2 样品相互作用的环境压力 X 射线光电子能谱 (APXPS) 实验。我们得出结论，MoO2 是一种能够降解毒素的有效底物。我们还进行了具体的预测，以指导沙林与 MoO2 样品相互作用的环境压力 X 射线光电子能谱 (APXPS) 实验。我们得出结论，MoO2 是一种能够降解毒素的有效底物。