Neočekávaná tvorba produktů neobsahujících kyslík a kyseliny dusité z ozonolýzy neonikotinoid nitenpyramu

Výsledky a diskuse

Obr. 2 ukazuje elektrosprejovou ionizační hmotnostní spektrometrii (ESI-MS) (+) směsi pevných produktů a nezreagovaného NPM extrahovaného z povrchu křemíkových pásů po reakci s ozonem. Píky způsobené adici protonu, sodíku a draslíku nezreagovaného NPM se vyskytují při m / z 271, 293 a 309, respektive píky produktu jsou pozorovány při m / z 212, 241, 433 až 441 a 465. ve studiích hmotnostní spektrometrie v reálném čase (DART-MS) ukázaly podobné vrcholy (dodatek SI, obr. S1). Spektra MS / MS byla získána pro každý z těchto vrcholů (dodatek SI, obr. S2 a S3) a byla provedena přesná hmotnostní měření (dodatek SI, tabulka S1). Na základě těchto údajů jsou navrženy produkty zobrazené na obr. 3. Naměřená přesná hmotnost každého produktu je konzistentní s vypočítanou přesnou hmotou a s fragmentačními vzory pro každý rodičovský pík. Shluk píku při m / z 433 až 441 představuje dva různé produkty při m / z 433 a 437, s překrývajícími se píky v důsledku izotopů Cl (35, 37) (dodatek SI, obr. S4). Všimněte si, že všechny produkty předběžně identifikované ESI-MS a DART-MS zachovaly terciární skupinu v NPM, což naznačuje, že atak ozonu na terciární amin není důležitý. To odpovídá studiím ozonolýzy ve vodě strukturně příbuzného farmaceutického ranitidinu, kde reakce s terciárním aminem nebyla důležitá pod pH ≈ 8 (49).

Produkty v pevné fázi byly také zkoumány pomocí oslabená celková odrazivost infračervená spektroskopie s Fourierovou transformací (ATR-FTIR). Obr. 4 ukazuje spektrum ATR-FTIR 20 monovrstev (ML) pevného NPM před expozicí ozonu (černá čára) a rozdílová spektra po reakci s 1,15 dílů na milion (ppm) O3 po dobu 1 minuty (modrá čára, rozšířená o faktor 5 pro jasnost) a po dobu 16 minut (červená čára). Negativní pásy při 1592 a 1236 cm − 1 způsobené skupinou –NO2 představují ztrátu NPM během reakce, zatímco pozitivní pásy při 1708, 1667 a 1634 cm − 1 jsou způsobeny tvorbou produktů. Vrcholy 1667 a 1634 cm − 1 jsou přiřazeny C = N v iminech (50). První z nich představuje izolovanou skupinu C = N, jak se nachází v produktech A, B a D (obr. 3). Pík při 1634 cm − 1 je červeně posunut v důsledku konjugace s jinou skupinou, shodnou s produktem C, který je konjugován s C = C. Zatímco produkt C je také alken, který by v zásadě mohl dále reagovat s ozonem, jeho reaktivita může být snížena kvůli menší hustotě elektronů ve vazbě C = C, která je výsledkem konjugace se dvěma iminovými skupinami. Může také existovat příspěvek k píku 1634 cm − 1 z produktu E, který je konjugován se skupinou C = O. Očekává se však, že tento příspěvek bude malý na základě nízké relativní intenzity ESI-MS a polohy infračerveného píku C = O při 1708 cm − 1, což je červený posun ve srovnání s očekáváním pro ester (50). Slabý úsek karbonylu při 1708 cm-1 je patrný pouze v krátkých reakčních dobách. To naznačuje, že C = O se nezvyšuje s časem úměrně s iminovými vrcholy, což naznačuje, že je odstraněno sekundárními reakcemi v delších reakčních dobách.

Je celkem neočekávané, že z pěti produktů pevné fáze pozorovaných po ozonolýze tři neobsahují žádný kyslík, jak stanoví přesné měření hmotnosti.Předchozí studie (51⇓ – 53) ozonolýzy enaminů v roztoku uváděly pouze produkty obsahující kyslík, jako jsou kombinace karbonylalkoholu a hydroperoxidy. Kromě toho tři z pěti produktů mají vyšší molekulové hmotnosti než NPM, což naznačuje, že reaktivní meziprodukty vytvořené při počáteční reakci s O3 musí poté atakovat NPM.

Kombinace produktů v plynné a pevné fázi byla vyslýchána pomocí přenos FTIR ve statických experimentech (dodatek SI, obr. S5A). Obr. 5 ukazuje rozdílové spektrum, když byl do buňky poprvé přidán ozon (černý) a ten po hodině reakce (červený). Ozon (1054 cm − 1) a NPM (1236 cm − 1) poklesly a byly pozorovány vrcholy při 791, 852 a 1263 cm − 1. Ty jsou charakteristické pro kyselinu dusitou, HONO (54, 55). Příloha SI, obr. S6 ukazuje typickou časovou závislost ztráty O3 a tvorby HONO. Koncentrace HONO stoupá a poté pomalu klesá kvůli pomalejší rychlosti tvorby, protože je spotřebován ozon a HONO se ztrácí na buněčné stěny. Bylo naměřeno, že maximální koncentrace HONO jsou v rozmezí (2,3 až 5,0) × 1014 molekul ⋅cm − 3. Dodatek SI, tabulka S2, shrnuje výtěžky HONO vyjádřené jako vrchol vytvořeného HONO děleno odpovídající ztrátou ozonu s průměrným výtěžkem ΔHONO / ΔO3 0,12 ± 0,03 (1 σ).

Možným zdrojem HONO v reakci NPM-ozonu je rozklad CI, který obsahuje nitroskupinu (CIx), • OOCH (•) NO2 → HONO + CO2. Oxid dusičitý nebyl nikdy pozorován v plynné fázi a jeho heterogenní reakce na povrchu za vzniku HONO je pomalá (56), což vylučuje jako zdroj. Aby se otestovalo, zda CI tohoto typu může tvořit HONO, byly také provedeny některé experimenty s reakcí O3 s 2-methyl-1-nitroprop-1-enem v plynné fázi, u kterého by se dalo očekávat, že poskytne stejný NO2-CI . Byla skutečně vytvořena kyselina dusitá s průměrným výtěžkem definovaným jako ΔHONO / ΔO3 0,18 ± 0,05 (1σ), což podporuje tento NO2-CI jako předchůdce HONO (měření očekávaného doprovodného zvýšení CO2 nebylo možné, kvůli změnám v pozadí během experimentu). Jako další kontrola, že klíčovým strukturálním znakem při výrobě HONO je skupina –NO2 na alkenovém uhlíku, byl také proveden experiment s 4-methyl-4-nitro-1-pentenem, kde je skupina –NO2 vytlačena z alkenu dvojná vazba, kde nebyla pozorována produkce HONO. To poskytlo další důkazy o tom, že CIx byl klíčovým meziproduktem pro tvorbu HONO.

Jak je znázorněno na obr. 1A, reakce ozonu se skupinou C = C v pevné fázi by měla generovat karbonylovou skupinu z jedné strany dvojná vazba a dvě CI (CIx nebo CIz) od druhé. Rekombinace na SOZ je u pevných látek běžná. Takový mechanismus byl pozorován například při ozonolýze na pevných substrátech fosfolipidů (57), stejně jako alkenových monovrstev (58). Zatímco ve spektru produktu FTIR byl pozorován velmi malý vrchol kolem 1105 cm − 1, podobný tomu, který byl pozorován při fosfolipidové reakci a byl přiřazen SOZ, nebyl žádný vrchol ESI-MS při m / z 318 odpovídající SOZ v NPM reakce. Pokud tedy vznikne SOZ, musí to být vedlejší produkt. Jako potvrzení byl SOI z fosfolipidové reakce snadno pozorován ESI-MS za stejných podmínek. Konvenční mechanismy ozonolýzy také předpovídají, že tvorba karbonylového produktu s molekulovou hmotností 227 (P227) z většího konce molekuly bude doprovázet vznik CIx (zdroj HONO). Ačkoli byl při vyšších koncentracích ozonu a kratších reakčních dob pozorován malý infračervený pík při 1708 cm − 1, vrchol odpovídající P227 nebyl detekován pomocí ESI-MS, což naznačuje, že tento produkt se při tvorbě ztrácí sekundárními reakcemi. p>

Za předpokladu, že první kroky reakce produkují CI (obr. 1), které vzniknou z větší části molekuly, CIz, budou generovány a mohou se rozkládat nebo napadat sousední molekuly (NPM nebo produkt P227) . Příloha SI, obr. S7 – S11 ukazuje možné mechanismy pro tvorbu produktů A až E (obr. 3).I když tyto mechanismy nelze prokázat, jsou rozumné a na rozdíl od konvenčních mechanismů ozonolýzy mohou vysvětlit pozorované produkty. Všimněte si, že navrhovaný mechanismus pro generování produktu B (hmotnost 240) a produktu D (hmotnost 436) zahrnuje sekundární chemii karbonylové sloučeniny o hmotnosti 227, v souladu s tím, že vrchol 1708 cm − 1 je pozorovatelný pouze při vyšších koncentracích ozonu a kratších reakční časy. Stručně řečeno, v reakci O3 s NPM v pevné fázi musí probíhat velmi neobvyklá chemie.

Kinetika ztráty NPM byla sledována pomocí ATR-FTIR (dodatek SI, obr. S5B) pomocí pás při 1236 cm − 1. Příloha SI, obr. S12 ukazuje typické rozpady pseudo-prvního řádu pro ztrátu NPM, lnAA0 = −kt = −k „t, kde A je absorbance v čase t a A0 je počáteční absorbance před reakcí. NPM sleduje kinetiku prvního řádu až po velkou čistou ztrátu NPM. Ve skutečnosti při dostatečně dlouhých expozicích reaguje v podstatě veškerý NPM. Konstanty rychlosti pseudo-prvního řádu pro rozpad ozonu, k „, byly odvozeny pro ztráty až 50% a jsou shrnuty v příloze S, tabulka S3.

Běžným jevem pro heterogenní reakce pevných látek je povrchová pasivace, kde reakce několika horních vrstev tvoří tenkou vrstvu nereaktivních produktů, které chrání podkladové vrstvy z další reakce (59⇓ – 61). V tomto případě rychlost absorpce reagujícího plynu klesá s časem, což nakonec vede k nulové absorpci a žádné další reakci pevné látky. Nebyly zde však žádné důkazy o povrchové pasivaci a při dostatečné expozici ozonu (kombinace času a koncentrace ozonu) dochází téměř k úplné ztrátě NPM. Musí tedy docházet k difúzi po celém filmu spolu s reakcí, což je důležité pro přesné vyhodnocení jeho osudu v prostředí.

Abychom to prozkoumali dále, kinetický vícevrstvý model pro povrchovou a objemovou chemii aerosolu (KM- Model SUB) (62) byl použit ke kvantitativnímu zkoumání rolí difúze a reakce v celém filmu a poskytl klíčové poznatky jak o experimentech, tak o úvahách, které jsou důležité pro pochopení jeho reakcí s ozonem ve vzduchu. Reakční schéma je shrnuto na obr. 1B. Zatímco zjednodušená sada reakcí má představovat tvorbu pozorovaných produktů bez implikačních mechanismů, je v souladu s těmi, které jsou uvedeny v příloze SI, obr. S7 – S11. Rov. 2 (obr. 1B) představuje první cestu rozkladu pro POZ, generující CIx, který tvoří HONO, a také produkt hromadné 227 (P227). Rov. 3 představuje druhou cestu pro rozklad POZ, což dává většímu CIz, který generuje produkt A (rovnice 4), a reaguje buď s NPM (rovnice 5) za vzniku produktů C a E nebo s P227, která byla generována v prvním rozkladu k vytvoření produktů B a D (rovnice 6).

Dodatek SI, obr. S13, porovnává pro nejvhodnější vstupní parametry shrnuté v příloze SI, tabulka S4, ztrátu NPM jako funkci čas předpovězený KM-SUB (plná čára) experimentálním datům (symboly). Ty představují nejvhodnější kombinaci kinetiky difúze a reakce. Dobrá shoda s experimentálními údaji se získává za široké škály podmínek. Příloha SI, obr. S14 ukazuje obrysové grafy předpovězeného vývoje NPM a ozonu v celém filmu jako funkci času při nízké a vysoké koncentraci ozonu. Zobrazeny jsou také předpokládané obrysy produktů P227, A a kombinace C + E. Při nízkých koncentracích O3 dochází k reakci v blízkosti povrchu, zatímco při vyšších koncentracích ozonu dochází k reakci v celém filmu, což zdůrazňuje význam zohlednění jak reakce, tak difúze. Všimněte si, že předpokládané maximální koncentrace P227 jsou o několik řádů nižší než u ostatních produktů, což odpovídá obtížnosti detekce tohoto produktu. Dalším poznatkem z těchto obrysů je, že k reakci dochází v celém filmu při vysokých koncentracích O3 použitých ve statických experimentech měření HONO. To je v souladu s absolutním počtem generovaných HONO, které odpovídaly reakci -34 až 55 ML NPM, za předpokladu průměrného výtěžku 12% HONO.

Rychlostní konstanta pro reakci NPM-O3 odvozený z modelu je 1 × 10−18 cm3⋅molekula − 1⋅s − 1 a počáteční pravděpodobnost reakce se odhaduje na ∼9 × 10−6 po zohlednění difúze a vyčerpání reaktantu v povrchové vrstvě. To je podobné velikosti jako pro ozonolýzu plynných fází disubstituovaných nebo trisubstituovaných jednoduchých alkenů (17). Difúzní koeficient pro O3 v NPM, D = 9 × 10−10 cm2⋅s − 1, je v rozmezí hodnot očekávaných pro difúzi v amorfní pevné látce (63).

Tyto studie jasně ilustrují, že reakční produkty a mechanismy pro složité multifunkční sloučeniny nelze přesně předpovědět na základě těch z jednotlivých strukturních znaků.V případě neonikotinoidního NPM existuje jen málo důkazů, že došlo k vytvoření očekávaného SOZ. Místo toho se vytvářejí velmi neobvyklé produkty, které neobsahují kyslík, a to navzdory vysoce oxidačnímu prostředí. Důkladné prohledání literatury neprokázalo žádnou zmínku o produktech bez kyslíku z ozonolýzy alkenu. Kromě toho se generují produkty s mnohem vyššími molekulovými hmotnostmi než mateřská sloučenina, což naznačuje křížové reakce reaktivních meziproduktů s NPM nebo s produkty vytvořenými v počáteční chemii NPM-O3. Výroba produktů s vyšší molekulovou hmotností vyžaduje, aby CI generovaný z větší strany molekuly byl tvořen v blízkosti jiného NPM nebo jeho reakčních produktů. Aplikace ve formě granulí nebo zachycení na prachových površích po aplikaci na půdu bude mít za následek přítomnost NPM jako agregátů různých velikostí, proto by tato chemie měla platit. V případě izolovaného NPM, například prostřednictvím systémového vychytávání v rostlinách, může tato CI reagovat spíše s jinými složkami matrice než s NPM.

Rozdíl mezi zde navrženým mechanismem ozonolýzy (obr. 1B) a konvenční mechanismus pro alkeny (obr. 1A) může být způsoben několika faktory. Za prvé, difúze menších fragmentů (CIx a CHONO2) může být v rozrušeném filmu dostatečně rychlá, aby omezila cykloadici za vzniku SOZ. I když se tedy očekává, že difúzní koeficienty pro CIx a CHONO2 budou menší než pro O3 (9 × 10−10 cm2⋅s − 1) kvůli jejich velikosti, stále se mohou pohybovat v rozmezí 10−10 cm2⋅s −1 až 10−11 cm2⋅s − 1. Pokud je vzdálenost, kterou musí CIx a CHONO2 cestovat, aby difundovaly pryč od většího fragmentu, aby se nekombinovaly, je ~ 1 nm, pak je odpovídající doba difúze řádově 0,1 ms až 1 ms. Dva další procesy soutěží s difúzí: rozklad CI a jeho 1,3 dipolární cykloadice na karbonylovou skupinu za vzniku SOZ. Rozklad termizované CI je typicky v řádu ~ 102 s − 1 až 103 s − 1, což dává životnost ∼ 1 ms až 10 ms (42, 44, 64), podobně jako časy difúze. Cykloadice může mít sterické požadavky, které jsou dále omezeny pomalejšími pohyby v pevné látce, což činí tvorbu SOZ z 1,3-cykloadice méně konkurenceschopnou.

Kyselina dusitá se vytváří v plynné fázi, s náznaky, že výsledky rozkladu CI obsahujícího NO2. Tato kyselina silně absorbuje v aktinické oblasti, která dosáhne povrchu Země, a prostřednictvím své fotolýzy je hlavním zdrojem radikálu OH, který řídí chemii atmosféry (17, 65). Zatímco reakce NPM-O3 je Nepředpokládá se, že bude významným zdrojem HONO ve srovnání s jinými známými venkovními a vnitřními zdroji na globální bázi (66, 67), může hrát roli lokálně, kde se používá NPM, a jeho výroba v této reakci je jistě mechanicky zajímavá.

Tyto velmi neobvyklé a překvapivé výsledky společně dokládají, že přesné posouzení osudu těchto multifunkčních sloučenin v životním prostředí vyžaduje podrobné studie případ od případu. Tyto studie zůstanou nezbytné přinejmenším, dokud nebude známo mnohem více, že umožní vývoj vztahů mezi strukturou a reaktivitou. Porozumění těmto mechanismům a výrobkům poskytne důležité vodítko při navrhování nové generace sloučenin, jako jsou pesticidy a léčiva, aby se minimalizovala del věčné dopady.